JPH08122308A

JPH08122308A - 超音波探傷方法

Info

Publication number: JPH08122308A
Application number: JP6254960A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Okuno; 隆一奥野; Daijiro Yuasa; 大二郎湯浅; Akio Nagamune; 章生長棟
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1994-10-20
Publication date: 1996-05-17

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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（Ｒａｄａｒｈａｎｄ
ｂｏｏｋ，Ｓｋｏｌｎｉｋｅｔ．，ＭｃＧｒａｗ−Ｈ
ｉｌｌＩｎｃ．，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。

【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。

【００１０】

【数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。

【００１２】

【数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。

【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。

【００１５】

【数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。

【００１７】

【数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。

【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。

【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）。

【００２１】

【数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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【図４】探触子のインパルス応答特性を示す図である。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図１４】ＦＩＲデジタルフィルタの構成例を示す図で
ある。

【図１５】図１４の動作を説明するための波形図であ
る。

【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。

【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。

【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。

【図１９】窓関数の相関処理に与える影響の説明図であ
る。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

１同期部２ＦＭ信号設定部３ＦＭ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１２Ｄ／Ａ変換器１３送信用アンプ１５受信用アンプ１６Ａ／Ｄ変換器１７ＦＩＲフィルタ１８オッシロスコープ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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ことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】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。