JPH08122308A - Ultrasonic flaw detection method - Google Patents
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- JPH08122308A JPH08122308A JP6254960A JP25496094A JPH08122308A JP H08122308 A JPH08122308 A JP H08122308A JP 6254960 A JP6254960 A JP 6254960A JP 25496094 A JP25496094 A JP 25496094A JP H08122308 A JPH08122308 A JP H08122308A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 パルス圧縮技術を用いた超音波探傷方法にお
いて、被検体の欠陥検出時の距離分解能が優れ、また厚
さ測定時の測定精度が高くなるような、最適の波形の周
波数変調波よりなる送信波形を生成する超音波探傷方
法。
【構成】 被検体5に対して探触子4を介して所定波形
のチャープ波の送受信を行い、その受信信号にパルス圧
縮処理を行う超音波探傷方法において、あらかじめ前記
探触子の電気信号と音響信号との相互変換における周波
数対振幅特性を求めておき、前記被検体からの受信信号
において前記探触子の周波数対振幅特性に基づき生じる
波形劣化を補う補正分を、あらかじめ送信するチャープ
波に付加した送信波形を生成するFM信号設定部2及び
FM信号送信部3を有するもの。
(57) [Abstract] [Purpose] In an ultrasonic flaw detection method using pulse compression technology, an optimal waveform that provides excellent distance resolution when detecting defects in the object and high measurement accuracy when measuring thickness. Ultrasonic flaw detection method for generating a transmission waveform composed of frequency-modulated waves of. In an ultrasonic flaw detection method in which a chirp wave having a predetermined waveform is transmitted to and received from a subject 5 via a probe 4, and the received signal is subjected to pulse compression processing, an electrical signal of the probe is previously stored. A frequency-amplitude characteristic in mutual conversion with an acoustic signal is obtained, and a correction component that compensates for waveform deterioration that occurs based on the frequency-amplitude characteristic of the probe in a received signal from the subject is added to a chirp wave to be transmitted in advance. What has the FM signal setting part 2 and the FM signal transmission part 3 which generate | occur | produce the added transmission waveform.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は超音波を用いて材料の
内外部を非破壊で検査したり、または材料の厚さを測定
する方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for non-destructively inspecting the inside and outside of a material using ultrasonic waves or measuring the thickness of the material.
【0002】[0002]
【従来の技術】図8は従来の一般的な超音波探傷装置の
機能構成図である。図8において、21は各回路に必要
な同期信号を発生し出力する同期部、22は同期部21
からの出力信号をもとに送信電気信号を発生する送信
部、23は送信部22からの送信電気信号をもとに超音
波を発生し被検体24の内部に超音波を入射させると共
に、被検体内部からのエコーを受信し電気信号に変換す
る探触子、25は探触子23からの電気信号を増幅させ
る受信部、26は受信部25からの出力信号を表示する
表示部である。2. Description of the Related Art FIG. 8 is a functional block diagram of a conventional general ultrasonic flaw detector. In FIG. 8, reference numeral 21 is a synchronization unit that generates and outputs a synchronization signal necessary for each circuit, and 22 is a synchronization unit 21.
A transmitting unit that generates a transmission electric signal based on the output signal from the transmitting unit 22 generates an ultrasonic wave based on the transmission electric signal from the transmitting unit 22 and causes the ultrasonic wave to enter the inside of the subject 24. A probe 25 receives an echo from the inside of the sample and converts the echo into an electric signal, a receiving unit 25 amplifies the electric signal from the probe 23, and a display unit 26 displays an output signal from the receiving unit 25.
【0003】超音波を用いて材料の内外部の検査を行う
場合、一般には図8に示すような装置が使用されてい
る。上記のように構成された装置では、一般に送信信号
波形としてパルス波が用いられていて、パルス波は波形
が鋭く、パルスの時間軸方向の幅が短いため時間軸分解
能が優れている。しかし、粒子の粗い材料等を探傷する
場合には、材料の粒子の境界からの反射エコー(林状エ
コーと呼ぶ)が発生し、それがノイズとなり材料内部の
欠陥からの反射エコーに混入するため、受信信号の信号
対雑音比(SN比)が悪化し探傷が困難になる場合が生
じる。When the inside and outside of a material is inspected using ultrasonic waves, a device as shown in FIG. 8 is generally used. In the apparatus configured as described above, a pulse wave is generally used as the transmission signal waveform, and the pulse wave has a sharp waveform and the width of the pulse in the time axis direction is short, so that the time axis resolution is excellent. However, when detecting a material with coarse particles, a reflection echo (called a forest echo) from the boundary of the particles of the material is generated, which becomes noise and mixes with the reflection echo from the defect inside the material. In some cases, the signal-to-noise ratio (SN ratio) of the received signal deteriorates and it becomes difficult to detect flaws.
【0004】この林状エコーを低減する方法として、材
料内部に入射する超音波の周波数または波形を選択し、
受信信号のSN比が最適になるように調節する方法が知
られているが、送信信号にパルス波を用いる場合は、送
受信する超音波の周波数や波形は探触子の特性に依存す
る。即ち探触子が送受信の際に行う電気信号と音響信号
との間の相互変換における周波数対振幅特性(一般に振
幅スペクトルという)に依存する。As a method for reducing this forest echo, the frequency or waveform of the ultrasonic waves entering the material is selected,
A method for adjusting the SN ratio of the received signal to be optimum is known, but when a pulse wave is used for the transmitted signal, the frequency and waveform of ultrasonic waves to be transmitted and received depend on the characteristics of the probe. That is, it depends on the frequency-amplitude characteristic (generally referred to as an amplitude spectrum) in the mutual conversion between the electric signal and the acoustic signal which the probe performs when transmitting and receiving.
【0005】図9は、パルス幅が無限小のパルス波形
(同図の(a))と、その振幅スペクトル(同図の
(b))を示す図であり、図10はパルス波励振による
探触子の受信波形(同図の(a))と、その振幅スペク
トル(同図の(b))を示す図である。電気信号として
の送信パルス波は、例えば図9の(a)におけるパルス
波形のパルス幅が狭くなるほど広い周波数帯域の振幅ス
ペクトルになるように、種々の周波数成分(同図の
(b))をもつ波形であり、一方探触子の振幅スペクト
ルは、例えば図10の(b)に示すように、電気信号と
音響信号との相互変換における変換効率に相当する周波
数対振幅特性を有するので、パルス波により探触子を励
振して超音波を送受信する際の超音波の周波数及び波形
は、探触子の種類によりそれぞれ異なることになる。従
ってこのような場合には、超音波探傷を行う者が、勘と
経験から複数種類の探触子のうちから適合するものを選
択し、超音波の周波数としての波形を最適に制御して使
用しなければならない問題があった。FIG. 9 is a diagram showing a pulse waveform with an infinitely small pulse width ((a) in the same figure) and its amplitude spectrum ((b) in the same figure), and FIG. 10 shows a search by pulse wave excitation. It is a figure which shows the received waveform ((a) of the same figure) of a tentacle, and its amplitude spectrum ((b) of the same figure). The transmission pulse wave as an electric signal has various frequency components ((b) in the same figure) so that it becomes an amplitude spectrum of a wider frequency band as the pulse width of the pulse waveform in (a) of FIG. 9 becomes narrower, for example. On the other hand, the amplitude spectrum of the probe has a frequency-amplitude characteristic corresponding to the conversion efficiency in mutual conversion between an electric signal and an acoustic signal, as shown in (b) of FIG. Therefore, the frequency and the waveform of the ultrasonic wave when the probe is excited to transmit and receive the ultrasonic wave are different depending on the type of the probe. Therefore, in such a case, the person who performs the ultrasonic flaw detection selects a suitable one from a plurality of types of probes based on his intuition and experience, and optimally controls the waveform of the ultrasonic wave for use. There was a problem I had to do.
【0006】前記複数の探触子のうちから最適のものの
選択を要するという問題を解決するものとして、例えば
特公平3−43586号公報に示された超音波探傷装置
が提案されている。図11は上記文献に示された従来の
超音波探傷装置のブロック図である。図11において、
21〜26は図8に示したものと同様なものである。2
7は周波数設定部28からの制御信号に従い、同期部2
1からの出力信号に同期して発生する周波数を可変とす
る周波数可変回路、28は周波数可変回路27への制御
信号を出力する周波数設定部、29は波数設定部30か
らの制御信号に従い、周波数可変回路27の出力信号の
波数を可変とする波数可変回路、30は波数可変回路2
9への制御信号を出力する波数設定部である。上記のよ
うな構成を有する装置では、被検材の探傷に最適な送信
周波数と送信波数を可変設定することにより、送信波の
振幅スペクトル、つまり送信波に含まれる周波数範囲を
コントロールできるため、探触子の選択交換が不要とな
る。As a solution to the problem that the optimum probe needs to be selected from among the plurality of probes, for example, an ultrasonic flaw detector disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-43586 has been proposed. FIG. 11 is a block diagram of the conventional ultrasonic flaw detection equipment disclosed in the above document. In FIG.
21 to 26 are the same as those shown in FIG. Two
Reference numeral 7 denotes a synchronizing unit 2 according to a control signal from the frequency setting unit 28.
1 is a frequency variable circuit for varying the frequency generated in synchronization with the output signal from 1, a frequency setting unit 28 outputs a control signal to the frequency variable circuit 27, and 29 is a frequency setting circuit according to the control signal from the wave number setting unit 30. A wave number changing circuit for changing the wave number of the output signal of the changing circuit 27, and 30 for the wave number changing circuit 2
9 is a wave number setting unit that outputs a control signal to the signal generator 9. In the device having the above configuration, the amplitude spectrum of the transmission wave, that is, the frequency range included in the transmission wave can be controlled by variably setting the transmission frequency and the transmission wave number that are optimal for flaw detection of the test material. There is no need to selectively replace the tentacles.
【0007】しかし図11の超音波探傷装置により励振
される送信波形は一般にバースト波と呼ばれているもの
で、複数の波を送信するため、その送信時間はパルス波
よりも長時間となる。図12は一般の超音波送信波形で
あるバースト波とパルス波との比較を示す図であり、同
図の(a)バースト波を使用した場合には、送信エネル
ギーが大きいので十分な受信信号が得られる反面、同図
の(b)パルス波よりも時間軸方向の幅が長くなるため
時間軸分解能が悪くなるという問題がある。However, the transmission waveform excited by the ultrasonic flaw detector of FIG. 11 is generally called a burst wave. Since a plurality of waves are transmitted, the transmission time is longer than that of a pulse wave. FIG. 12 is a diagram showing a comparison between a burst wave and a pulse wave, which are general ultrasonic transmission waveforms. When the burst wave of FIG. 12A is used, since the transmission energy is large, a sufficient reception signal is generated. On the other hand, there is a problem in that the time-axis resolution becomes worse because the width in the time-axis direction becomes longer than that of the pulse wave shown in FIG.
【0008】送信パルス幅を広くしたまま時間軸分解能
を向上させる技術として、レーダーの分野で知られてい
るパルス圧縮という技術がある(Radar hand
book,Skolnik et.,McGraw−H
ill Inc.,1970参照)。図13は直線状周
波数変調パルス圧縮レーダの説明図であり、同図の
(a)は、時刻t1 からt2 までの送信時間T(送信パ
ルス幅に等しい)内で周波数をf1 からf2 まで直線状
に周波数変調(FM)を行うことを示し、(b)はこの
ように直線状に周波数変調された波(これをチャープ波
という)の波形を示している。パルス圧縮レーダの一例
としては、図13の(b)のような周波数変調波を送信
波として送信し、その受信波形と送信に用いた波形との
相互相関演算処理を行うことにより、受信波の時間軸方
向のパルス幅を圧縮し振幅の鋭い波形を得るのと共に、
受信信号のSN比を向上させている。図13の(c)は
相互相関演算処理後の信号波形を示している。As a technique for improving the time-axis resolution while keeping the transmission pulse width wide, there is a technique called pulse compression known in the field of radar (Radar hand).
book, Skolnik et. , McGraw-H
ill Inc. , 1970). FIG. 13 is an explanatory diagram of the linear frequency modulation pulse compression radar. In FIG. 13A, the frequencies are changed from f 1 to f within the transmission time T (equal to the transmission pulse width) from time t 1 to t 2. indicates that the frequency modulation (FM) in a straight line up to 2, shows the waveform of the (b) thus linearly frequency modulated wave (called a chirp wave). As an example of the pulse compression radar, a frequency-modulated wave as shown in (b) of FIG. 13 is transmitted as a transmission wave, and a cross-correlation calculation process is performed between the reception waveform and the waveform used for the transmission to obtain the reception wave. While compressing the pulse width in the time axis direction to obtain a waveform with sharp amplitude,
The SN ratio of the received signal is improved. FIG. 13C shows the signal waveform after the cross-correlation calculation process.
【0009】パルス圧縮技術を超音波の分野に適用した
文献としては、例えば特開昭63−233369号公報
に示された超音波診断用パルス圧縮装置がある。この装
置においては、超音波エコー信号をパルス圧縮するの
に、直交検波手段を介した複素数信号と基準波信号との
相互相関処理を行っている。一般に、2つの関数f
1 (t) とf2 (t) の相関演算を行った結果としての相関
関数s(τ)は次の(1)式のように定義される。An example of a document to which the pulse compression technique is applied in the field of ultrasonic waves is an ultrasonic diagnostic pulse compression device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-233369. In this device, in order to pulse-compress an ultrasonic echo signal, a cross-correlation process is performed between the complex number signal and the reference wave signal via the quadrature detection means. In general, the two functions f
The correlation function s (τ) as a result of performing the correlation calculation of 1 (t) and f 2 (t) is defined by the following equation (1).
【0010】[0010]
【数1】 [Equation 1]
【0011】前記(1)式はf1 (t) ,f2 (t) がそれ
ぞれ連続関数の場合の相関演算式であり、最近はアナロ
グ形式の受信信号をA/D変換器を介してデジタル形式
の離散化信号(サンプリングされた不連続の信号)とし
て処理する場合が多いので、この場合の相関演算式を次
の(2)式に示す。なお(2)式のNはサンプルの総数
である。The above formula (1) is a correlation calculation formula when f 1 (t) and f 2 (t) are continuous functions, and recently, an analog received signal is digitally converted through an A / D converter. Since it is often processed as a discretized signal of the form (sampled discontinuous signal), the correlation calculation equation in this case is shown in the following equation (2). Note that N in the equation (2) is the total number of samples.
【0012】[0012]
【数2】 [Equation 2]
【0013】前記(2)式の演算は、一般に複数の遅延
器と乗算器とを有するFIR(有限インパルス応答)デ
ジタルフィルタにより実現できる。図14はFIRデジ
タルフィルタの構成例を示す図であり、+印は加算器、
×印は乗算器、Z-1は遅延器であり、各遅延器は入力信
号に対して送信の繰返し周期に相当する時間の遅延を行
い出力する。図15は図14の動作を説明するための波
形図である。The operation of the equation (2) can be generally realized by an FIR (finite impulse response) digital filter having a plurality of delay units and multipliers. FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of the FIR digital filter, in which the + sign indicates an adder,
The mark X indicates a multiplier, and Z -1 indicates a delay device. Each delay device delays the input signal by a time corresponding to the repetition cycle of transmission and outputs the delayed signal. FIG. 15 is a waveform diagram for explaining the operation of FIG.
【0014】図14のデジタルフィルタにおいては、デ
ジタル信号に離散化された受信波形x(τ)と相関演算
を行うための参照波形は、ある一定のサンプリング周波
数でサンプリングされ(離散化され)、この例では各離
散化データ値は、128個のc0 〜c127 として、それ
ぞれ×印の乗算器の一方に入力される。一方入力端から
各送信周期毎に入力される離散化受信データx(τ)
は、各乗算器の他方の入力に直接供給され、前記参照デ
ータc0 〜c127 とそれぞれ個別に乗算され、c127 と
の乗算結果を除く各乗算結果はそれぞれ127個の遅延
器と加算器とが交互に直列接続された該当加算器の入力
の一方に供給される。そして、c127 との乗算結果のみ
が前記交互に直列接続された先頭の遅延器に直接供給さ
れ、この遅延器の後段に直列接続される加算器の入力の
他方にはc12 6 との乗算結果が供給されている。そして
前記直列結合の最後の加算器の出力が相関演算出力とな
る。以上の演算結果を(3)式に示す。In the digital filter shown in FIG. 14, the received waveform x (τ) discretized into a digital signal and the reference waveform for performing the correlation calculation are sampled (discretized) at a certain sampling frequency. In the example, each discretized data value is input to one of the multipliers indicated by x as 128 c 0 to c 127 . On the other hand, the discretized reception data x (τ) input from the input end in each transmission cycle
Is directly supplied to the other input of each multiplier and individually multiplied with the reference data c 0 to c 127. Each multiplication result except the multiplication result with c 127 is 127 delay units and adders. And are alternately supplied to one of the inputs of the corresponding adder connected in series. Then, only the result of multiplication with c 127 is directly supplied to the leading delay device which is alternately connected in series, and the other input of the adder which is connected in series after this delay device is multiplied with c 12 6. The results are provided. Then, the output of the last adder of the series combination becomes the correlation calculation output. The above calculation result is shown in Expression (3).
【0015】[0015]
【数3】 (Equation 3)
【0016】このように構成されたFIRデジタルフィ
ルタは、入力端から逐次入力される離散化データX
(τ)と参照波形の離散化データc(i) に対して下記の
(4)式で示される畳み込み演算を実施し、この演算結
果のy(τ)を得るものである。(4)式では、信号時
間を逆転して信号の向きを逆向きにしてから時間的にず
らすが、(3)式では信号の向きを順方向にして時間的
にずらしていくという違いがあるが、参照波形の離散デ
ータの配列c0 〜c127 を逆方向に並べ変えることで、
等価な処理を行うことができる。The FIR digital filter having the above-mentioned structure is capable of sequentially inputting the discretized data X from the input end.
The convolution operation represented by the following equation (4) is performed on (τ) and the discretized data c (i) of the reference waveform, and y (τ) of the operation result is obtained. In the expression (4), the signal time is reversed to reverse the direction of the signal and then the time is shifted, but in the expression (3), the direction of the signal is changed to the forward direction and the time is shifted. By rearranging the arrays c 0 to c 127 of the discrete data of the reference waveform in the opposite direction,
Equivalent processing can be performed.
【0017】[0017]
【数4】 [Equation 4]
【0018】図15は図14のデジタルフィルタの動作
を説明する波形図であり、図15においては、周波数変
調波を送信後、時間の経過に従い順次得られる受信波形
を時間τ〜τ+127毎に区切り、この区切られた各受
信波形と参照波形との畳み込み演算(2つの波形の類似
度を求める演算と等価)を受信期間の最初から順次行っ
た演算結果である相関出力の時間的変化を示している。
いま受信エコー波形は時間軸のほぼ中央に得られている
から、参照波を時間的に順次ずらせてゆき、受信エコー
波と参照波の位相が一致したとき(図15の時間軸のほ
ぼ中央で)、最大ピークの相関出力が得られることがわ
かる。FIG. 15 is a waveform diagram for explaining the operation of the digital filter shown in FIG. 14. In FIG. 15, after the frequency modulated wave is transmitted, the reception waveform obtained sequentially as time passes is divided into time τ to τ + 127. , Showing the temporal change of the correlation output which is the calculation result obtained by sequentially performing the convolution calculation (equivalent to the calculation of the similarity between two waveforms) between each of the divided reception waveforms and the reference waveform from the beginning of the reception period. There is.
Since the received echo waveform is now obtained approximately at the center of the time axis, the reference waves are sequentially shifted in time, and when the phases of the received echo wave and the reference wave match (at approximately the center of the time axis in FIG. 15). ), The correlation output of the maximum peak is obtained.
【0019】図16は方形窓により切出したチャープ波
のパルス圧縮処理の説明図である。上記のような従来の
パルス圧縮技術を用いた超音波探傷方法では、例えば図
16の(a)に示すような、所定の送信時間幅(この例
では5μs)において、信号振幅が均一で、所定の周波
数遷移(この例では1〜9MHz)のみを行った周波数
変調(FM)信号を、送信波として使用すると共に、受
信波と相関演算を行うための参照波としても使用してい
るが、この場合送信波と参照波の相互相関演算によるパ
ルス圧縮後の波形は、同図の(b)に示すようにメイン
ローブの両側に多くのサイドローブが現れる。そしてこ
のサイドローブは一種のノイズとなりSN比を悪化させ
る。このサイドローブの発生原因は、図16の(c)に
示すように送信波形の振幅スペクトルを調べると、この
振幅スペクトルの山状平坦部に多くのリプルが存在する
ことによるものである。FIG. 16 is an explanatory diagram of pulse compression processing of a chirp wave cut out by a rectangular window. In the ultrasonic flaw detection method using the conventional pulse compression technique as described above, for example, as shown in (a) of FIG. 16, a predetermined transmission time width (5 μs in this example) has a uniform signal amplitude and a predetermined amplitude. The frequency-modulated (FM) signal that has undergone only the frequency transition (1 to 9 MHz in this example) is used as the transmission wave and also as the reference wave for performing the correlation calculation with the reception wave. In the case of the waveform after pulse compression by the cross-correlation calculation of the transmission wave and the reference wave, many side lobes appear on both sides of the main lobe, as shown in FIG. Then, this side lobe becomes a kind of noise and deteriorates the SN ratio. The cause of the side lobes is that when the amplitude spectrum of the transmission waveform is examined as shown in FIG. 16C, many ripples are present in the mountain-shaped flat portion of this amplitude spectrum.
【0020】図17及び図18はアナログ波形のフーリ
エ変換及び相関処理の説明図である。一般に無限時間長
にわたり連続するアナログ波形x(t) (図17の(a)
を参照)から周波数対振幅特性(一般に振幅スペクトル
という)を求める場合、ある時間内で連続波形を区切
り、波形を切り出すことによりフーリエ変換を行い時間
領域から周波数領域に変換を行うが、この波形の切出し
により抽出された波形z(t) (図17の(c)を参照)
は、アナログ波形x(t) と方形窓関数y(t) (図17の
(b)を参照)との積で示される。ここで時間領域での
乗算は、(5)式に示すような周波数領域での畳み込み
演算で定義されるため、x(t) の周波数領域での関数X
(ω)とy(t) の周波数領域での関数Y(ω)(図17
の(d)を参照)との畳み込み演算と2πの除算結果
が、z(t) の周波数特性Z(ω)(図17の(e)を参
照)となる。また上記の振幅スペクトルはZ(ω)の絶
対値をとればよい(図17の(f)を参照)。17 and 18 are explanatory diagrams of Fourier transform and correlation processing of analog waveforms. Generally, an analog waveform x (t) that continues for an infinite time length ((a) in FIG. 17)
To obtain the frequency-to-amplitude characteristics (generally referred to as the amplitude spectrum) from (1), a continuous waveform is divided within a certain time, and the Fourier transform is performed by cutting out the waveform to convert from the time domain to the frequency domain. Waveform z (t) extracted by cutting (see (c) of FIG. 17)
Is represented by the product of the analog waveform x (t) and the rectangular window function y (t) (see FIG. 17B). Since the multiplication in the time domain is defined by the convolution operation in the frequency domain as shown in equation (5), the function X of x (t) in the frequency domain is calculated.
The function Y (ω) (Fig. 17) in the frequency domain of (ω) and y (t)
(See (d)) and the result of division by 2π are frequency characteristics Z (ω) of z (t) (see (e) in FIG. 17). Further, the above amplitude spectrum may take the absolute value of Z (ω) (see (f) in FIG. 17).
【0021】[0021]
【数5】 (Equation 5)
【0022】また逆に時間領域での畳み込み演算は、周
波数領域では乗算となる。一方時間領域での畳み込み演
算と等価である相関関数は、相関演算を行う2つの関数
の周波数領域上で積とみなすことができる。従って相関
関数の振幅スペクトルは、相関演算を行う2つの関数の
それぞれの振幅スペクトルの積に等しい。図18におい
ては、相関前の2つの関数の振幅スペクトルにリプルが
現われている。そしてその積である相関関数のサイドロ
ーブは、相関前の2つの関数のリプルに影響されてい
る。On the contrary, the convolution operation in the time domain is multiplication in the frequency domain. On the other hand, the correlation function equivalent to the convolution operation in the time domain can be regarded as the product of the two functions performing the correlation operation in the frequency domain. Therefore, the amplitude spectrum of the correlation function is equal to the product of the amplitude spectra of the two functions that perform the correlation calculation. In FIG. 18, ripples appear in the amplitude spectra of the two functions before correlation. The side lobe of the correlation function, which is the product of the two, is affected by the ripple of the two functions before correlation.
【0023】前記サイドローブを低減させるには、振幅
スペクトルにおけるリプルを低減させればよい。このリ
プルは、波形を切り出す段階での窓関数のサイドローブ
を低減することである。図19は窓関数の相関処理に与
える影響の説明図である。従来サイドローブを低減する
ための窓関数としては、方形窓の代わりにハミング窓が
使用されていた。図19は窓関数として、左側は方形窓
を、右側はハミング窓を用いた場合を対比させて示して
いる。図19の(a)の左右は各々前記2つの窓関数の
時間領域における波形を、(b)の左右は各々(a)の
窓関数の周波数領域における波形を、(c)の左右は各
々の窓関数により切り出されたFM信号波を、(d)の
左右は各々(c)のFM信号波形の振幅スペクトルを、
(e)の左右は各々の窓関数により切り出されたFM信
号波形の自己相関関数を示している。自己相関関数のサ
イドローブが、ハミング窓の場合大幅に低減されている
事が分かる。よって、相関後のサイドローブの低減に
は、FM信号波形の始端部から終端部にかけて山状の形
状にすることが有効であると言える。To reduce the side lobes, ripples in the amplitude spectrum may be reduced. This ripple is to reduce the side lobe of the window function at the stage of cutting out the waveform. FIG. 19 is an explanatory diagram of the influence of the window function on the correlation processing. Conventionally, a Hamming window has been used instead of a rectangular window as a window function for reducing side lobes. FIG. 19 shows, as window functions, a rectangular window on the left side and a Hamming window on the right side in contrast. Left and right of FIG. 19A are waveforms of the two window functions in the time domain, left and right of FIG. 19B are waveforms of the window function of FIG. 19A in the frequency domain, and left and right of FIG. The FM signal wave cut out by the window function, the left and right of (d) are the amplitude spectrum of the FM signal waveform of (c),
The left and right sides of (e) show the autocorrelation function of the FM signal waveform cut out by each window function. It can be seen that the side lobes of the autocorrelation function are significantly reduced in the case of the Hamming window. Therefore, it can be said that in order to reduce the side lobes after correlation, it is effective to make the peak shape from the start end portion to the end portion of the FM signal waveform.
【0024】[0024]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようにパルス圧縮処理後のサイドローブを低減させるた
め、窓関数としてハミング窓を使用し、図20の(b)
の右側に示す遷移周波数1〜9[MHz]、パルス幅5
[μs]のFM信号波を図20の(a)に示すような実
際の探傷条件で用い、被検体からの底面反射エコーの受
信波をパルス圧縮処理した波形は、図20の(c)の右
側に示すように、メインローブ周辺のサイドローブは低
減されているが、メインローブの両側にかなり振幅の大
きなサイドローブが現れる。そしてこのサイドローブに
より下記の問題点が生じる。尚、図20において、使用
探触子の周波数は中心周波数5[MHz]の広帯域型探
触子、使用した被検体は減衰の少ない材質とした、厚さ
25[mm]のものを用いた。 (1)超音波探傷においては、メインローブのすぐ両脇
のサイドローブの増大は、被検体内部の欠陥を検出する
際の距離分解能を低下させる。 (2)超音波を用いた被検体の厚さ測定においては、測
定値の測定精度を劣化させる。However, in order to reduce the side lobes after pulse compression processing as described above, a Hamming window is used as a window function, and the (b) of FIG. 20 is used.
Transition frequency 1-9 [MHz], pulse width 5 shown on the right side of
A waveform obtained by pulse-compressing the received wave of the bottom surface reflection echo from the subject using the FM signal wave of [μs] under the actual flaw detection condition as shown in (a) of FIG. 20 is as shown in (c) of FIG. As shown on the right side, the side lobes around the main lobe are reduced, but side lobes with considerably large amplitude appear on both sides of the main lobe. The side lobes cause the following problems. In FIG. 20, the frequency of the probe used was a broadband type probe with a center frequency of 5 [MHz], and the test object used was a material with low attenuation and a thickness of 25 [mm]. (1) In ultrasonic flaw detection, an increase in side lobes on both sides of the main lobe deteriorates the distance resolution when detecting a defect inside the subject. (2) In the thickness measurement of the subject using ultrasonic waves, the measurement accuracy of the measured value is deteriorated.
【0025】このように、ハミング窓による波形切出し
におけるパルス圧縮は、方形窓による波形切出しにおけ
るパルス圧縮に比較して、効果が劣るのが現状である。
また被検体の厚さ測定においては、方形窓を使用した方
が高精度であるのが現状である。従ってパルス圧縮技術
を用いた超音波探傷法において、ハミング窓により周波
数変調波を切出す方法は、必ずしも満足すべきものでは
なかった。As described above, the current situation is that the pulse compression in the waveform cutout using the Hamming window is inferior in effect to the pulse compression in the waveform cutout using the rectangular window.
Further, in the measurement of the thickness of the subject, it is the current situation that a rectangular window is more accurate. Therefore, in the ultrasonic flaw detection method using the pulse compression technique, the method of cutting out the frequency modulated wave by the Hamming window is not always satisfactory.
【0026】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたもので、パルス圧縮技術を用いた超音波探傷方法
において、被検体の欠陥検出時の距離分解能が優れ、ま
た厚さ測定時の測定精度が高くなるような、最適の波形
の周波数変調波よりなる送信波形を生成する超音波探傷
方法を得ることを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems. In the ultrasonic flaw detection method using the pulse compression technique, the distance resolution at the time of detecting the defect of the object is excellent, and the measurement at the time of measuring the thickness is performed. An object of the present invention is to obtain an ultrasonic flaw detection method that generates a transmission waveform composed of a frequency-modulated wave having an optimum waveform with high accuracy.
【0027】[0027]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
超音波探傷方法は、被検体に対して探触子を介して所定
波形のチャープ波の送受信を行い、その受信信号にパル
ス圧縮処理を行う超音波探傷方法において、あらかじめ
前記探触子の電気信号と音響信号との相互変換における
周波数対振幅特性を求める工程と、前記被検体からの受
信信号における前記探触子の周波数対振幅特性に基づき
生じる波形劣化を補う補正分を、あらかじめ送信するチ
ャープ波に付加した送信波形を生成する工程とを有する
ものである。An ultrasonic flaw detection method according to a first aspect of the present invention transmits / receives a chirp wave having a predetermined waveform to / from an object through a probe, and compresses the received signal by pulse compression. In the ultrasonic flaw detection method for processing, a step of obtaining a frequency-amplitude characteristic in the mutual conversion between the electric signal and the acoustic signal of the probe in advance, and the frequency-amplitude of the probe in the received signal from the subject. And a step of generating a transmission waveform in which a correction amount for compensating for waveform deterioration caused by characteristics is added to a chirp wave to be transmitted in advance.
【0028】本発明の請求項2に係る超音波探傷方法
は、前記請求項1に係る超音波探傷方法において、前記
受信信号とパルス圧縮を行う参照信号の包絡線が該波形
の始端部から中央部にかけて滑らかに立上り、終端部に
かけて滑らかに立下がる参照波形を用いるとき、受信信
号の波形劣化を補う補正分を送信するチャープ波に付加
した送信波形として、該波形の始端部と終端部における
包絡線が、それぞれやや急な曲線により立上がりまた立
下がる送信波形を生成する工程を有するものである。An ultrasonic flaw detection method according to a second aspect of the present invention is the ultrasonic flaw detection method according to the first aspect, wherein the envelope of the received signal and the reference signal for pulse compression is from the beginning to the center of the waveform. When a reference waveform that smoothly rises toward the end and smoothly falls toward the end is used, as a transmission waveform added to the chirp wave that transmits the correction component that compensates for the deterioration of the waveform of the received signal, the envelope at the beginning and end of the waveform Each of the lines has the step of generating a transmission waveform that rises and falls with a rather steep curve.
【0029】[0029]
【作用】本請求項1に係る発明においては、被検体に対
して探触子を介して所定波形のチャープ波の送受信を行
い、その受信信号にパルス圧縮処理を行う超音波探傷方
法において、予め前記探触子の電気信号対音響信号の相
互変換における周波数対振幅特性を求めておき、前記被
検体からの受信信号における前記探触子の周波数対振幅
特性に基づき生じる波形劣化を補う補成分を、予め送信
するチャープ波に付加した送信波形を生成するものであ
る。一般に図23に示すように、送信するチャープの周
波数特性S(ω)は探触子の送受信において探触子の伝
達特性の影響を受ける。この伝達特性は探触子の電気信
号対超音波信号の相互変換強度の周波数をパラメータと
する関数で表され、探触子の周波数特性T(ω)で表さ
れ、その振幅スペクトル|T(ω)|を周波数帯域とい
う。探触子による送受信後の受信信号X(ω)は、探触
子が一種のフィルタとして作用する。よって、受信信号
X(ω)は、送信信号S(ω)と探触子の周波数特性T
(ω)の積でもって表すことができる。このため、受信
信号の周波数特性X(ω)の振幅スペクトル|X(ω)
|は送信信号の振幅スペクトル|S(ω)|に比べて周
波数範囲が狭くなってしまう。このような受信信号X
(ω)と参照波S(ω)との相互相関は、S(ω)のみ
の自己相関に比べて周波数範囲が狭くなるため、相関後
の波数は多くなり、メインローブの両側に振幅の大きな
サイドローブが現れる。ここで、図9に示すように、様
々な周波数を一定の強度で含むパルス波を、探触子に励
振し、その受信波の周波数特性は探触子の伝達関数の周
波数特性T(ω)となる。さらに図22に示すように、
送信信号に探触子の伝達特性を補正し、つまり送信チャ
ープ波S(ω)を探触子の伝達特性T(ω)で減算した
ような結果できる送信チャープ波S′(ω)を、新たに
送信信号として用いれば、受信時の振幅スペクトル|X
(ω)|の周波数範囲の狭化を補うことができる。In the invention according to claim 1, in the ultrasonic flaw detection method of transmitting and receiving the chirp wave of a predetermined waveform to and from the subject through the probe and performing the pulse compression processing on the received signal, A frequency-amplitude characteristic in the mutual conversion of the electric signal to the acoustic signal of the probe is obtained in advance, and a complementary component for compensating for waveform deterioration occurring in the received signal from the object based on the frequency-amplitude characteristic of the probe is added. , To generate a transmission waveform added to a chirp wave to be transmitted in advance. Generally, as shown in FIG. 23, the frequency characteristic S (ω) of the chirp to be transmitted is affected by the transmission characteristic of the probe during transmission and reception of the probe. This transfer characteristic is represented by a function having the frequency of the mutual conversion intensity of the electric signal of the probe to the ultrasonic signal as a parameter, represented by the frequency characteristic T (ω) of the probe, and its amplitude spectrum | T (ω ) | Is called a frequency band. The probe acts as a kind of filter on the received signal X (ω) after transmission and reception by the probe. Therefore, the reception signal X (ω) is equal to the transmission signal S (ω) and the frequency characteristic T of the probe.
It can be expressed by the product of (ω). Therefore, the amplitude spectrum | X (ω) of the frequency characteristic X (ω) of the received signal
| Has a narrower frequency range than the amplitude spectrum | S (ω) | of the transmission signal. Such a received signal X
Since the frequency range of the cross-correlation between (ω) and the reference wave S (ω) is narrower than the autocorrelation of only S (ω), the number of waves after correlation is large and the amplitude is large on both sides of the main lobe. Side lobes appear. Here, as shown in FIG. 9, a pulse wave including various frequencies with constant intensity is excited in the probe, and the frequency characteristic of the received wave is the frequency characteristic T (ω) of the transfer function of the probe. Becomes Further, as shown in FIG.
The transmission chirp wave S ′ (ω), which is obtained by correcting the transmission characteristic of the probe to the transmission signal, that is, by subtracting the transmission chirp wave S (ω) by the transmission characteristic T (ω) of the probe, If used as a transmission signal in the
The narrowing of the frequency range of (ω) | can be compensated.
【0030】本請求項2に係る発明においては、前記請
求項1に係る発明において、図23の(a)に示すよう
に、参照波の窓関数にハミング窓のような始端部から中
央部にかけて滑らかに立上げ、終端部にかけて滑らかに
立下げるような山状の振幅特性を有する窓関数を用いた
場合(参照波の振幅スペクトル;図23の(b)参
照)、送信波の窓関数には図23の(c)のように中央
部の振幅特性は一定もしくはゆるやかな曲線とし、始端
部及び終端部付近で急激に立上げ及び立下げるような丘
状の振幅を有する窓関数を用いる(送信波の振幅スペク
トル;図23の(d)参照)。このようにして図20の
(a)に示す探傷条件で被検体の底面反射エコーを受信
すると、受信波は探触子の周波数特性による影響を補正
できるため、図23の(e)のように補正前の受信波
(図23の(f)参照)に比べて、参照波の波形形状に
近くなるため、周波数特性も参照波のそれと同等もしく
は近い形状を有するようになる。その結果、相関後の波
形は、探触子の送受信を含まない参照波の自己相関時の
波形に近くなる。In the invention according to claim 2, in the invention according to claim 1, as shown in (a) of FIG. 23, the window function of the reference wave is applied from a starting end portion such as a Hamming window to a central portion. When a window function having a mountain-like amplitude characteristic that smoothly rises and smoothly falls toward the terminal end is used (amplitude spectrum of the reference wave; see FIG. 23 (b)), the window function of the transmitted wave is As shown in (c) of FIG. 23, the amplitude characteristic of the central portion is a constant or gentle curve, and a window function having a hill-shaped amplitude that sharply rises and falls near the start end portion and the end portion is used (transmission). Wave amplitude spectrum; see FIG. 23 (d). When the bottom surface reflection echo of the subject is received under the flaw detection condition shown in FIG. 20A in this manner, the influence of the frequency characteristic of the probe on the received wave can be corrected, and as shown in FIG. Compared to the received wave before correction (see (f) in FIG. 23), the waveform becomes closer to the waveform of the reference wave, so that the frequency characteristic also has a shape equal to or close to that of the reference wave. As a result, the waveform after correlation becomes close to the waveform at the time of autocorrelation of the reference wave that does not include transmission / reception of the probe.
【0031】[0031]
【実施例】図1は本発明に係る超音波探傷装置の一例を
示す機能構成図である。図1において、1は各回路に必
要な同期信号を発生し出力する同期部、2は所定波形の
周波数変調信号(この例ではチャープ信号波)を設定す
るFM信号設定部、3はFM信号設定部2で設定された
FM信号に基づき送信するFM信号を発生し探触子4へ
供給するFM信号送信部、4はFM信号送信部3からの
送信信号をもとに超音波を発生し被検体5の内部に超音
波を入射させると共に、被検体内部らかのエコーを電気
信号に変換する探触子、5は探傷を行う被検体、6はパ
ルス圧縮部、7は参照波設定部、8は表示部である。1 is a functional block diagram showing an example of an ultrasonic flaw detector according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 is a synchronizing section for generating and outputting a necessary synchronizing signal for each circuit, 2 is an FM signal setting section for setting a frequency modulation signal (chirp signal wave in this example) of a predetermined waveform, and 3 is an FM signal setting. The FM signal transmitting unit 4 that generates an FM signal to be transmitted based on the FM signal set in the unit 2 and supplies the FM signal to the probe 4 generates ultrasonic waves based on the transmission signal from the FM signal transmitting unit 3 and generates an ultrasonic wave. A probe that applies an ultrasonic wave to the inside of the sample 5 and converts an echo from inside the sample into an electric signal, 5 is a sample for flaw detection, 6 is a pulse compression unit, 7 is a reference wave setting unit, 8 is a display unit.
【0032】図1の装置においては、同期部1から所定
の繰返し同期毎に出力される同期信号に基づき、所定周
期毎にFM信号設定部2で設定されたFM信号がFM信
号送信部3から送信される。探触子4は送信されてきた
FM信号をもとに超音波を発生し被検体5に超音波を入
射させると共に、被検体内外部に存在する音響インピー
ダンスの不均一部からの超音波反射エコーを捉えて電気
信号に変換して出力する。探触子4からの受信信号は、
同期部1からの出力信号に基づき、パルス圧縮部6にお
いて参照波設定部7で設定された参照波との相関演算に
よりパルス圧縮がなされ、その結果が表示部8に表示さ
れる。In the apparatus shown in FIG. 1, the FM signal set by the FM signal setting unit 2 is output from the FM signal transmitting unit 3 in every predetermined cycle based on the synchronization signal output from the synchronizing unit 1 every predetermined repeated synchronization. Sent. The probe 4 generates an ultrasonic wave based on the transmitted FM signal and makes the ultrasonic wave incident on the subject 5, and at the same time, an ultrasonic wave reflection echo from a non-uniform portion of acoustic impedance existing inside and outside the subject. Is captured, converted into an electrical signal, and output. The received signal from the probe 4 is
Based on the output signal from the synchronization unit 1, pulse compression is performed in the pulse compression unit 6 by correlation calculation with the reference wave set in the reference wave setting unit 7, and the result is displayed on the display unit 8.
【0033】図2は図1の装置の具体的なハードウェア
構成の一例を示す図である。図2において、11はパー
ソナルコンピュータであり、図1の同期部1、FM信号
設定部2、FM信号送信部3及び参照波設定部7の各機
能動作をすべて行うものである。12はD/A変換器、
13は送信用のアンプ、14は探触子、15は受信用の
アンプ、16はA/D変換器、17はFIRフィルタで
あり、図1のパルス圧縮部6の具体的なハードウェアで
ある。FIRフィルタ17としては、例えば図16の構
成によるものでよい。18はオッシロスコープ、19は
被検体である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a concrete hardware configuration of the apparatus shown in FIG. In FIG. 2, reference numeral 11 denotes a personal computer, which performs all functional operations of the synchronization unit 1, the FM signal setting unit 2, the FM signal transmitting unit 3, and the reference wave setting unit 7 of FIG. 12 is a D / A converter,
Reference numeral 13 is a transmission amplifier, 14 is a probe, 15 is a reception amplifier, 16 is an A / D converter, 17 is an FIR filter, and is concrete hardware of the pulse compression unit 6 in FIG. . The FIR filter 17 may have the structure shown in FIG. 16, for example. Reference numeral 18 is an oscilloscope, and 19 is a subject.
【0034】図2においては、パーソナルコンピュータ
11で作成されたFM波形は、D/A変換器12により
アナログ信号に変換され、送信用アンプ13によ所要の
送信電力にまで増幅され、探触子14から超音波として
被検体19内に送信される。探触子14に受信された信
号は受信用アンプ15で信号増幅され、A/D変換器6
で逐次デジタル信号に変換される。そして、この受信デ
ジタル信号は、FIRフィルタ17により、パーソナル
コンピュータ11が作成し出力する参照波と相関演算さ
れ、パルス圧縮処理が行われる。このパルス圧縮後の波
形がオッシロスコープ18に表示される。In FIG. 2, the FM waveform created by the personal computer 11 is converted into an analog signal by the D / A converter 12, amplified by the transmission amplifier 13 to a required transmission power, and then the probe. 14 is transmitted as ultrasonic waves into the subject 19. The signal received by the probe 14 is amplified by the reception amplifier 15, and the A / D converter 6
Are sequentially converted into digital signals. Then, the received digital signal is subjected to correlation calculation with the reference wave created and output by the personal computer 11 by the FIR filter 17, and pulse compression processing is performed. The waveform after the pulse compression is displayed on the oscilloscope 18.
【0035】ここでパーソナルコンピュータ11を使用
した理由は、プログラムの変更により、送信波の波形及
び参照波の波形を任意の形状に設定することが可能であ
り、この送信波及び参照波の波形変更を行い、サイドロ
ーブ低域の効果を確認できるからである。以下送信波及
び参照波の波形を種々変更し、探傷を行った場合の効果
を比較してみる。The reason why the personal computer 11 is used here is that the waveform of the transmission wave and the waveform of the reference wave can be set to an arbitrary shape by changing the program, and the waveforms of the transmission wave and the reference wave can be changed. This is because the effect of low side lobe can be confirmed by performing Below, the waveforms of the transmitted wave and the reference wave are variously changed, and the effects of flaw detection are compared.
【0036】探傷例1.探傷例1は、被検体を炭素鋼と
して、この被検体内の欠陥探傷を行った例であり、図3
がこの探傷例1における各種波形の説明図である。この
探傷例1においては、探触子14の公称周波数は5MH
zであり、周波数変調波は、1MHzから9MHzまで
を直線状に変調したパルス幅5μsのチャープ波とし
た。なお、図4は前記探触子14のインパルス応答特性
を示す図であり、同図の(a)は探触子のインパルス応
答波形を示し、(b)はこの振幅スペクトルを示してい
る。Example of flaw detection 1. The flaw detection example 1 is an example in which a carbon steel was used as the subject, and flaw detection inside the subject was performed.
6A and 6B are explanatory diagrams of various waveforms in this flaw detection example 1. FIG. In this flaw detection example 1, the nominal frequency of the probe 14 is 5 MH.
z, and the frequency-modulated wave was a chirp wave with a pulse width of 5 μs obtained by linearly modulating from 1 MHz to 9 MHz. 4A and 4B are diagrams showing the impulse response characteristics of the probe 14, wherein FIG. 4A shows the impulse response waveform of the probe, and FIG. 4B shows the amplitude spectrum.
【0037】(1)、図3の(a)と(b)は、それぞ
れ窓関数を方形波として前記チャープ波から切出した送
信波と参照波であり、この2つの波形は同一のものであ
る。この場合に、図3の(a)に示す送信信号を送信し
被検体表面から反射された受信信号と参照波(b)とで
FIRフィルタ17が相関処理をした処理後の波形をオ
ッシロスコープ18で測定したものが同図の(c)に示
されている。この(c)においては、メインローブの周
辺部にサイドローブが確認できる。 (2)、図3の(d)と(e)は、それぞれ窓関数をハ
ミング窓として前記チャープ波から切出した送信波と参
照波であり、この2つの波形は同一のものである。この
場合に前記(1)の場合と同様に、相関処理後の波形が
同図の(f)に示されている。この(f)においては、
メインローブの両脇にサイドローブが強調されるように
なっている。(1), (a) and (b) of FIG. 3 respectively show a transmission wave and a reference wave which are cut out from the chirp wave by using a window function as a square wave, and these two waveforms are the same. . In this case, the oscilloscope 18 uses the oscilloscope 18 to process the waveform obtained by transmitting the transmission signal shown in FIG. 3A and correlating the reception signal reflected from the surface of the subject with the reference wave (b). The measured values are shown in FIG. In this (c), side lobes can be confirmed around the main lobe. (2), (d) and (e) of FIG. 3 respectively show a transmission wave and a reference wave cut out from the chirp wave by using a window function as a Hamming window, and the two waveforms are the same. In this case, as in the case of the above (1), the waveform after the correlation processing is shown in (f) of the same figure. In this (f),
Side lobes are emphasized on both sides of the main lobe.
【0038】(3)、図3の(g)と(h)は、それぞ
れ本発明における好ましき送信波と参照波の例であり、
この2つの波形は異なるものである。即ち送信波(g)
は、その始端部と終端部における包絡線がハミング窓の
場合の曲線よりもやや急な曲線(例えばやや小さな曲率
半径の曲線)により立上げ及び立下げを行い、その中央
部における包絡線がハミング窓の場合の曲線よりもゆる
やかな曲線(例えばやや大きな曲率半径の曲線)により
山状となる波形になっている。また参照波(h)は前記
ハミング窓を用いた参照波(e)と同一波形としてい
る。この送信波(g)と参照波(h)を用いた場合の相
関処理後の波形が同図の(i)に示されている。この
(i)においては、メインローブの両脇のサイドローブ
が低減され、且つ周辺部のサイドローブも低減され、さ
らにメインローブの鋭さも強調されている。その結果S
N比が向上している。(3), (g) and (h) of FIG. 3 are examples of preferred transmission waves and reference waves in the present invention, respectively.
The two waveforms are different. That is, transmitted wave (g)
The rise and fall of the envelope at the start and end are slightly steeper than the curve in the case of a Hamming window (for example, a curve with a slightly smaller radius of curvature), and the envelope at the center is Hamming. It has a mountain-like waveform due to a gentler curve (for example, a curve with a slightly larger radius of curvature) than the curve for a window. The reference wave (h) has the same waveform as the reference wave (e) using the Hamming window. The waveform after the correlation processing when the transmission wave (g) and the reference wave (h) are used is shown in (i) of the figure. In (i), the side lobes on both sides of the main lobe are reduced, the side lobes in the peripheral portion are also reduced, and the sharpness of the main lobe is emphasized. As a result S
The N ratio is improving.
【0039】ここで、なぜ送信波(g)を使用すると送
信波(d)の場合よりもメインローブが先鋭化するかを
説明すると、一般の探触子は図4の(b)に示されるよ
うな、丘状の幅域スペクトルを有するので、送信波
(g)の始端部と終端部を送信波(d)よもやや急な曲
線により立上げ及び立下げることにより、受信信号にお
ける探触子によるスペクトルの狭化を補い、そのスペク
トルの広帯域化を計ることにより、相関処理後の波形の
先鋭化が可能となるものである。換言すると、受信信号
における探触子の周波数対振幅特性に基づき生ずる波形
劣化を補うために、あらかじめ送信するチャープ波に前
記波形劣化の補正分を付加した送信波(g)を生成した
といえる。The reason why the use of the transmitted wave (g) makes the main lobe sharper than that of the transmitted wave (d) will be described below. A general probe is shown in FIG. 4 (b). Since it has such a hill-shaped wide band spectrum, the probe in the received signal is obtained by raising and lowering the start end and the end of the transmitted wave (g) with a curve that is slightly steeper than the transmitted wave (d). By compensating for the narrowing of the spectrum due to the above and widening the spectrum, it is possible to sharpen the waveform after the correlation processing. In other words, it can be said that the transmitted wave (g) is generated by adding the correction amount of the waveform deterioration to the chirp wave to be transmitted in advance, in order to compensate the waveform deterioration caused by the frequency-amplitude characteristic of the probe in the received signal.
【0040】探傷例2.探傷例2は、送波用振動子と受
波用振動子とを別個のものとした分割型探触子を用い、
被検体を炭素鋼として、その底面近傍の欠陥を探傷した
例であり、図5がこの探傷例2における各種波形の説明
図である。この探傷例2においては、探触子2は主に鉄
鋼製品の厚鋼板の探傷に用いる公称周波数5MHzの分
割型探触子を用いて、厚さ60mmの底面近傍に存在す
る各種人工欠陥の探傷を行った結果を図5により説明す
る。Example of flaw detection 2. The flaw detection example 2 uses a split-type probe in which the wave-transmitting oscillator and the wave-receiving oscillator are separate.
This is an example of flaw detection in the vicinity of the bottom surface of carbon steel as the subject, and FIG. 5 is an explanatory diagram of various waveforms in this flaw detection example 2. In this flaw detection example 2, the probe 2 is a split type probe having a nominal frequency of 5 MHz which is mainly used for flaw detection of thick steel plates of steel products, and flaw detection of various artificial defects existing in the vicinity of the bottom surface having a thickness of 60 mm. The result of the above will be described with reference to FIG.
【0041】(1)、図5の送信波(a)と参照波
(b)は、それぞれ図3の送信波(d)と参照波(e)
と同一波形であり、共にハミング窓により遷移周波数1
MHz〜9MHz、パルス幅5μsのチャープ波から切
出されたものである。図5の(c),(d),(e)
は、それぞれ同図の送信波(a)と参照波(b)とを用
いて、被検体底面における直径が5.6mmで、深さが
1.5mm、1.0mm、0.5mmの人工欠陥を探傷
し、受信波に相関処理を行った後の波形である。(1), the transmitted wave (a) and the reference wave (b) of FIG. 5 are the transmitted wave (d) and the reference wave (e) of FIG. 3, respectively.
Has the same waveform as, and both have a transition frequency of 1 due to the Hamming window.
It is cut out from a chirp wave having a pulse width of 5 μs and a frequency of 9 MHz to 9 MHz. 5 (c), (d), (e)
Is an artificial defect having a diameter of 5.6 mm and a depth of 1.5 mm, 1.0 mm, and 0.5 mm at the bottom surface of the subject, using the transmitted wave (a) and the reference wave (b) of FIG. Is a waveform after flaw detection is performed and the received wave is subjected to correlation processing.
【0042】(2)、図5の送信波(f)と参照波
(g)は、図3の送信波(g)と参照波(h)と同一波
形であり、それぞれ本発明における好ましい波形例であ
る。また参照波(g)と参照波(b)とは同一波形であ
り、送信波(f)は送信波(a)と異なる波形である。
図5の(h),(i),(j)は、それぞれ同図の送信
波(f)と参照波(g)とを用いて、前記深さの異なる
3つの人工欠陥を探傷し、その相関処理後の波形であ
る。図5の(c)と(h)、(d)と(i)、(e)と
(j)とを比較すると、送信波(f)を用いた(h),
(i),(j)の方がSN比が優れており、特に底面に
接近している(d)と(i)、(e)と(j)の比較で
は、(i)、(j)の方が底面反射波と欠陥反射波の分
離が容易であることから検出能が向上していることが明
らかである。このように送信波(f)と参照波(g)と
を用いることにより、被検体底面に存在する欠陥の検出
能が向上するという効果がある。(2), the transmission wave (f) and the reference wave (g) in FIG. 5 have the same waveforms as the transmission wave (g) and the reference wave (h) in FIG. 3, and preferable waveform examples in the present invention. Is. The reference wave (g) and the reference wave (b) have the same waveform, and the transmission wave (f) has a different waveform from the transmission wave (a).
5 (h), (i), and (j), the transmission wave (f) and the reference wave (g) of FIG. 5 are used to detect three artificial defects having different depths, and It is a waveform after the correlation processing. Comparing (c) and (h), (d) and (i), and (e) and (j) of FIG. 5, the transmitted wave (f) was used (h),
The SN ratios of (i) and (j) are superior, and in particular (d) and (i), which are closer to the bottom surface, and (e) and (j) are compared, (i) and (j) It is clear that in the case of 1, the bottom surface reflected wave and the defect reflected wave can be separated more easily, so that the detectability is improved. By using the transmission wave (f) and the reference wave (g) in this way, there is an effect that the detectability of defects existing on the bottom surface of the subject is improved.
【0043】探傷例3.探傷例3は、被検体の厚さ測定
の例である。一般に、材料の厚さを超音波により測定す
る場合、超音波が材料の厚さ方向の断面を往復して伝播
するので、材料の底面からの反射波の時間軸方向の間隔
を測定し、材料中の音速を用いて厚さ(距離)に換算す
る。従ってこの厚さ測定技術は、材料底面から繰り返し
得られる反射波が明確に測定できるかどうかに依存して
いる。図6がこの探傷例3における各種波形の説明図で
ある。Example of flaw detection 3. The flaw detection example 3 is an example of measuring the thickness of the subject. In general, when measuring the thickness of a material by ultrasonic waves, the ultrasonic wave propagates back and forth across the cross section in the thickness direction of the material, so the time interval of the reflected wave from the bottom surface of the material is measured, Convert to thickness (distance) using the speed of sound inside. Therefore, this thickness measurement technique depends on whether the reflected wave repeatedly obtained from the bottom surface of the material can be clearly measured. FIG. 6 is an explanatory diagram of various waveforms in this flaw detection example 3.
【0044】(1)、図6の送信波(a)と参照波
(b)は、それぞれ図5の送信波(a)及び参照波
(b)と同一波形であり、共にハミング窓により切出さ
れた遷移周波数1MHz〜9MHz、パルス幅5μsの
チャープ波である。図6の(c)は材料の厚さを2mm
とし、送信波(a)と参照波(b)を用いた場合の材料
の底面多重反射波の相関処理後の波形である。 (2)、図6の送信波(d)と参照波(e)は、それぞ
れ図5の送信波(f)及び参照波(g)と同一波形であ
り、本発明における好ましき波形例である。また図6の
(f)は同一の材料厚さ2mmで、送信波(d)と参照
波(e)を用いた場合の(c)に対応する波形である。
図6の(c)と(f)とを比較すると、(c)の方がS
N比が向上しており、材料底面から繰り返し得られる反
射波の時間間隔が明確に測定でき、厚さ測定における測
定精度が向上するという効果がある。(1), the transmission wave (a) and the reference wave (b) of FIG. 6 have the same waveforms as the transmission wave (a) and the reference wave (b) of FIG. 5, respectively, and both are cut out by the Hamming window. It is a chirp wave having a transition frequency of 1 MHz to 9 MHz and a pulse width of 5 μs. In FIG. 6C, the material thickness is 2 mm.
Is a waveform after the correlation processing of the bottom multiple reflection wave of the material when the transmission wave (a) and the reference wave (b) are used. (2), the transmitted wave (d) and the reference wave (e) of FIG. 6 have the same waveforms as the transmitted wave (f) and the reference wave (g) of FIG. 5, respectively, which are preferable waveform examples of the present invention. is there. Further, (f) of FIG. 6 is a waveform corresponding to (c) when the transmission wave (d) and the reference wave (e) are used with the same material thickness of 2 mm.
Comparing (c) and (f) of FIG. 6, S of (c) is
The N ratio is improved, the time interval of the reflected wave repeatedly obtained from the bottom surface of the material can be clearly measured, and the measurement accuracy in the thickness measurement is improved.
【0045】上記の探傷例1,2,3をまとめてみる
と、次のようになる。 (1)、方形窓を用いてチャープ波を切出した送信波と
参照波の場合の相関処理(畳み込み演算)後の波形は、
メインローブの周辺部にサイドローブが多い(図3の
(c)を参照)。またこの畳み込み演算は、送信波の振
幅スペクトルと参照波の振幅スペクトルとの積となり、
方形波の場合の前記振幅スペクトルの積は、周波数帯域
がハミング窓の場合に比較して広くなるため、相関処理
後の波形は鋭くなる。 (2)、ハミング窓を用いてチャープ波を切出した送信
波と参照波の場合の相関処理後の波形は、メインローブ
の両脇のサイドローブが強調され(図3の(f)を参
照)、SN比が悪い(図5の(c)〜(e)、図6の
(c)を参照)。またハミング窓の場合の前記振幅スペ
クトルの積は、周波数帯域が方形波の場合に比較して狭
くなるため、相関処理後の波形は鈍くなる。さらに探触
子による周波数対振幅特性のため、送信波の帯域が狭め
られるため、受信信号の相関処理後の波形はなお鈍化す
る。A summary of the above-described flaw detection examples 1, 2, and 3 is as follows. (1), the waveform after the correlation processing (convolution operation) in the case of the transmitted wave and the reference wave, which are the chirp waves cut out using the rectangular window,
There are many side lobes around the main lobe (see FIG. 3 (c)). This convolution operation is the product of the amplitude spectrum of the transmitted wave and the amplitude spectrum of the reference wave,
Since the product of the amplitude spectrum in the case of a square wave is wider than that in the case of the Hamming window in the frequency band, the waveform after the correlation processing becomes sharp. (2) The side lobes on both sides of the main lobe are emphasized in the waveform after the correlation processing in the case of the transmission wave and the reference wave in which the chirp wave is cut out using the Hamming window (see (f) in FIG. 3). , The SN ratio is poor (see (c) to (e) of FIG. 5 and (c) of FIG. 6). Further, the product of the amplitude spectrum in the case of the Hamming window is narrower than that in the case of the square wave in the frequency band, so that the waveform after the correlation process becomes dull. Further, due to the frequency-amplitude characteristic of the probe, the band of the transmitted wave is narrowed, so that the waveform of the received signal after the correlation processing is still blunted.
【0046】(3)、送信波を図3の(g)に示すよう
に、その始端部と終端部における包絡線がハミング窓の
場合の曲線よりもやや急な曲線により立上げ及び立下げ
が行われ、その中央部の包絡線がハミング窓の場合の曲
線よりもゆるやゆかな曲線により山状(又は谷状でもよ
い)となるような窓関数によりチャープ波を切出し、ま
た参照波は(2)と同一のハミング窓によりチャープ波
の切出しを行うと、丘状の幅域スペクトルを有する探触
子による周波数帯におけるスペクトルの狭化を補うこと
ができる。その結果相関処理後のメインローブ波形を先
鋭化させることができると共に、方形窓の場合よりも相
関処理後の振幅スペクトルのリプルが少いため、メイン
ローブに近接するサイドローブとメインローブの周辺部
に現れるサイドローブも低域させることができる。従っ
て本発明においてはこの(3)による送信波及び参照波
を採用するものとする。(3) As shown in (g) of FIG. 3, the transmitted wave has a slightly steeper curve than the curve in the case where the envelope curve at the start end and the end thereof is raised and lowered. The chirp wave is cut out by a window function that is performed so that the envelope of the central portion becomes a mountain shape (or a valley shape) with a gentler curve than the curve in the case of the Hamming window, and the reference wave is (2 If the chirp wave is cut out using the same Hamming window as in (1), it is possible to compensate for the narrowing of the spectrum in the frequency band due to the probe having the hill-shaped width spectrum. As a result, it is possible to sharpen the main lobe waveform after correlation processing, and because there are less ripples in the amplitude spectrum after correlation processing than in the case of a rectangular window, the side lobe near the main lobe and the peripheral part of the main lobe are close. The side lobes that appear can also be lowered. Therefore, in the present invention, the transmission wave and the reference wave according to (3) are adopted.
【0047】図7は前記(3)において採用した本発明
の好ましき送受信波形とその振幅スペクトル及び相関処
理後の波形を示す図である。図7の(a)は本発明によ
る好ましき送信波形、(b)は送信波形(a)の振幅ス
ペクトル、(c)は送信波形が(a)の場合の受信波
形、(d)は受信波形(c)の振幅スペクトル、(e)
は相関処理後の波形をそれぞれ示している。図7の
(e)と図3の(f)とを比較することにより、超音波
探傷波形として前者が後者より優れていることがわか
る。FIG. 7 is a diagram showing the preferred transmission / reception waveform of the present invention adopted in (3) above, its amplitude spectrum, and the waveform after correlation processing. 7A is a preferred transmission waveform according to the present invention, FIG. 7B is an amplitude spectrum of the transmission waveform A, FIG. 7C is a reception waveform when the transmission waveform is A, and FIG. Amplitude spectrum of waveform (c), (e)
Shows the waveforms after the correlation processing. By comparing (e) of FIG. 7 and (f) of FIG. 3, it can be seen that the former is superior to the latter as the ultrasonic flaw detection waveform.
【0048】[0048]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、被検体に
対して探触子を介して所定波形のチャープ波の送受信を
行い、その受信信号にパルス圧縮処理を行う超音波探傷
方法において、あらかじめ前記探触子の電気信号と音響
信号との相互変換における周波数対振幅特性を求めてお
き、前記被検体からの受信信号における前記探触子の周
波数対振幅特性に基づき生じる波形劣化を補う補正分
を、あらかじめ送信するチャープ波に付加した送信波形
を生成するようにしたので、受信信号における探触子に
よるスペクトルの狭化を補い、そのスペクトルの広帯域
化を計ることにより、パルス圧縮処理後のメインローブ
波形の先鋭化が可能となる。As described above, according to the present invention, there is provided an ultrasonic flaw detection method in which a chirp wave having a predetermined waveform is transmitted to and received from a subject through a probe, and the received signal is subjected to pulse compression processing. , The frequency-amplitude characteristic in the mutual conversion between the electric signal and the acoustic signal of the probe is obtained in advance, and the waveform deterioration that occurs based on the frequency-amplitude characteristic of the probe in the received signal from the subject is compensated. Since the correction waveform is added to the chirp wave to be transmitted in advance, the transmission waveform is generated after the pulse compression processing by compensating for the narrowing of the spectrum by the probe in the received signal and measuring the broadening of the spectrum. It is possible to sharpen the main lobe waveform of.
【0049】また本発明によれば、前記受信信号の波形
劣化を補う補正分を送信するチャープ波に付加した送信
波形として、該波形の始端部と終端部における包絡線
が、それぞれやや急な曲線により立上りまた立下る送信
波形を生成し、また前記送信波の中央部における包絡線
が、ゆるやかな曲線により山状または谷状となる送信波
形を生成するようにしたので、前記メインローブ波形の
先鋭化と共に、メインローブに近接するサイドローブと
メインローブの周辺部に現れるサイドローブも低減させ
ることができる。その結果、被検体の表面及び裏面の探
傷不感帯のSN比向上による探傷範囲の拡大と欠陥探傷
精度の向上に効果的である。また、材料の厚さを測定す
る場合においても、より薄い材料の厚さを測定すること
ができるようになるという効果がある。Further, according to the present invention, as the transmission waveform added to the chirp wave for transmitting the correction component for compensating for the waveform deterioration of the received signal, the envelopes at the start end and the end of the waveform are slightly steep curves. To generate a transmission waveform that rises and falls, and the envelope in the central portion of the transmission wave generates a transmission waveform that is a mountain shape or a valley shape due to a gentle curve. In addition, the side lobes that are close to the main lobe and the side lobes that appear around the main lobe can be reduced. As a result, it is effective in expanding the flaw detection range and improving the flaw flaw detection accuracy by improving the SN ratio of the flaw detection dead zone on the front surface and the back surface of the subject. Further, also in the case of measuring the thickness of the material, there is an effect that it becomes possible to measure the thickness of the thinner material.
【図1】本発明に係る超音波探傷装置の一例を示す機能
構成図である。FIG. 1 is a functional configuration diagram showing an example of an ultrasonic flaw detector according to the present invention.
【図2】図1の装置の具体的なハードウェア構成の一例
を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a specific hardware configuration of the apparatus of FIG.
【図3】本発明の探傷例1における各種波形の説明図で
ある。FIG. 3 is an explanatory view of various waveforms in flaw detection example 1 of the present invention.
【図4】探触子のインパルス応答特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing impulse response characteristics of a probe.
【図5】本発明の探傷例2における各種波形の説明図で
ある。FIG. 5 is an explanatory diagram of various waveforms in flaw detection example 2 of the present invention.
【図6】本発明の探傷例3における各種波形の説明図で
ある。FIG. 6 is an explanatory diagram of various waveforms in flaw detection example 3 of the present invention.
【図7】本発明の好ましき送受信波形とその振幅スペク
トル並びに相関処理後の波形を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a preferred transmission / reception waveform of the present invention, its amplitude spectrum, and a waveform after correlation processing.
【図8】従来の一般的な超音波探傷装置の機能構成図で
ある。FIG. 8 is a functional configuration diagram of a conventional general ultrasonic flaw detector.
【図9】パルス波の波形とその振幅スペクトルを示す図
である。FIG. 9 is a diagram showing a waveform of a pulse wave and its amplitude spectrum.
【図10】パルス波励振による探触子の受信波形とその
振幅スペクトルを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a received waveform of a probe by pulse wave excitation and its amplitude spectrum.
【図11】従来の文献に示された超音波探傷装置のブロ
ック図である。FIG. 11 is a block diagram of an ultrasonic flaw detector described in a conventional document.
【図12】超音波送信波形であるバースト波とパルス波
との比較を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a comparison between a burst wave and a pulse wave, which are ultrasonic transmission waveforms.
【図13】直線状周波数変調パルス圧縮レーダの説明図
である。FIG. 13 is an explanatory diagram of a linear frequency modulation pulse compression radar.
【図14】FIRデジタルフィルタの構成例を示す図で
ある。FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of an FIR digital filter.
【図15】図14の動作を説明するための波形図であ
る。15 is a waveform chart for explaining the operation of FIG.
【図16】方形窓により切出したチャープ波のパルス圧
縮処理の説明図である。FIG. 16 is an explanatory diagram of pulse compression processing of a chirp wave cut out by a rectangular window.
【図17】アナログ波形のフーリエ変換及び相関処理の
説明図1である。FIG. 17 is an explanatory diagram 1 of Fourier transform and correlation processing of analog waveforms.
【図18】アナログ波形のフーリエ変換及び相関処理の
説明図2である。FIG. 18 is an explanatory diagram 2 of Fourier transform and correlation processing of an analog waveform.
【図19】窓関数の相関処理に与える影響の説明図であ
る。FIG. 19 is an explanatory diagram of the influence of the window function on the correlation processing.
【図20】一般的な超音波探傷法に於る窓関数の相関処
理に与える影響に関する概略図である。FIG. 20 is a schematic diagram of an influence on a correlation process of a window function in a general ultrasonic flaw detection method.
【図21】一般的な超音波探傷法に於る探触子の周波数
帯域が相関処理結果に与える影響に関する概略図であ
る。FIG. 21 is a schematic diagram of the influence of the frequency band of the probe in the general ultrasonic flaw detection method on the correlation processing result.
【図22】探触子の周波数帯域による相関処理結果に与
える影響を減ずる方法に関する概略図である。FIG. 22 is a schematic diagram of a method for reducing the influence of the frequency band of the probe on the correlation processing result.
【図23】探触子の周波数帯域による相関処理結果に与
える影響を減ずる送信波形に関する説明図である。FIG. 23 is an explanatory diagram related to a transmission waveform that reduces the influence on the correlation processing result by the frequency band of the probe.
1 同期部 2 FM信号設定部 3 FM信号送信部 4,14 探触子 5,19 被検体 6 パルス圧縮部 7 参照波設定部 8 表示部 11 パーソナルコンピュータ 12 D/A変換器 13 送信用アンプ 15 受信用アンプ 16 A/D変換器 17 FIRフィルタ 18 オッシロスコープ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 synchronization part 2 FM signal setting part 3 FM signal transmission part 4,14 probe 5,19 subject 6 pulse compression part 7 reference wave setting part 8 display part 11 personal computer 12 D / A converter 13 transmission amplifier 15 Receiver amplifier 16 A / D converter 17 FIR filter 18 Oscilloscope
Claims (2)
のチャープ波の送受信を行い、その受信信号にパルス圧
縮処理を行う超音波探傷方法において、 あらかじめ前記探触子の電気信号と音響信号との相互変
換における周波数対振幅特性を求める工程と、 前記被検体からの受信信号における前記探触子の周波数
対振幅特性に基づき生じる波形劣化を補う補正分を、あ
らかじめ送信するチャープ波に付加した送信波形を生成
する工程とを有することを特徴とする超音波探傷方法。1. An ultrasonic flaw detection method in which a chirp wave having a predetermined waveform is transmitted to and received from a subject through a probe, and the received signal is subjected to pulse compression processing. A step of obtaining a frequency-amplitude characteristic in mutual conversion with an acoustic signal, and a correction component for compensating for waveform deterioration caused based on the frequency-amplitude characteristic of the probe in a received signal from the subject, a chirp wave to be transmitted in advance. And a step of generating an added transmission waveform.
号の包絡線が該波形の始端部から中央部にかけて滑らか
に立上がり、終端部にかけて滑らかに立下がる参照波形
を用いるとき、受信信号の波形劣化を補う補正分を送信
するチャープ波に付加した送信波形として、該波形の始
端部と終端部における包絡線が、それぞれやや急な曲線
により立上がりまた立下がる送信波形を生成する工程を
有する請求項1記載の超音波探傷方法。2. When a reference waveform is used in which the envelope of the received signal and a reference signal for pulse compression rises smoothly from the beginning to the center of the waveform and smoothly falls from the end of the waveform, the waveform of the received signal deteriorates. The method further comprises the step of generating a transmission waveform in which the envelopes at the start end and the end of the waveform are added to the chirp wave for transmitting the correction component to compensate for the rising and falling edges by slightly steep curves, respectively. Ultrasonic flaw detection method described.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6254960A JPH08122308A (en) | 1994-10-20 | 1994-10-20 | Ultrasonic flaw detection method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6254960A JPH08122308A (en) | 1994-10-20 | 1994-10-20 | Ultrasonic flaw detection method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08122308A true JPH08122308A (en) | 1996-05-17 |
Family
ID=17272262
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6254960A Pending JPH08122308A (en) | 1994-10-20 | 1994-10-20 | Ultrasonic flaw detection method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08122308A (en) |
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1994
- 1994-10-20 JP JP6254960A patent/JPH08122308A/en active Pending
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