JPH095310A

JPH095310A - 超音波検査方法

Info

Publication number: JPH095310A
Application number: JP7150731A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Okuno; 隆一奥野; Akio Nagamune; 章生長棟
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】検査精度を向上させることを可能にした超音
波検査方法を提供する。【構成】所定パルス幅内で周波数が遷移するチャープ
波を送信波として探触子を介して被検体内に送信し、探
触子を介して得られるその受信波と、予め設定されたチ
ャープ波からなる参照波との相関処理を行い、その相関
処理後のパルス圧縮された信号によって被検体の状態を
把握する超音波検査方法において、送信波として用いら
れるチャープ波はその振幅が一定であり、参照波として
用いられるチャープ波はその周波数遷移幅及びパルス幅
が送信波のチャープ波のそれと同一であり、且つその振
幅が始点及び終点においてそれぞれ滑らかに変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本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材料の厚さを測定して被検体
の状態を把握する超音波検査方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７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７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は同期部１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、３は
送信部２からの送信信号をもとに超音波を発生し被検体
４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、５は探触
子３からの電気信号を増幅させる受信部、６は受信部５
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内外部の検査を行う場
合には、一般には、図７に示すような装置が使用されて
おり、このような装置では送信信号波形としてはパルス
波が一般に用いられている。図８の（ａ）にそのパルス
波の形状を示す。また、パルス波の振幅スペクトルを図
８の（ｂ）のｂ１に示す。このｂ１により、パルス波の
振幅スペクトルの形状を見ると、周波数ｆが高くなるほ
ど振幅が低下する傾向を持っていることが分かる。しか
しながら、実際に使用する一般的な探触子の周波数特性
（送信時の電気信号の超音波信号への変換効率及び受信
時の超音波信号の電気信号への変換効率の積の周波数上
での特性）を見ると、図８の（ｂ）のｂ２に示すように
なっており、最も変換効率の高い周波数（中心周波数）
をピークとする丘状の分布状態を持っている。

【０００４】ここで問題となるのは、図８の（ｂ）のｂ
１とｂ２の形状の差である。つまり、この差は、送信パ
ルスのエネルギーは探触子３の超音波の送受信の過程
で、かなりのエネルギーが失われていることを意味して
いて、問題となっていた。図７の送信部２では、２００
Ｖ程度の振幅を有する送信パルス波を発生するが、探触
子３により得られる受信信号は、通常被検体の材質が鋼
である場合には、欠陥の大きさにも依存するが、数ｍＶ
程度の振幅であり、これは受信部５に於いて数百ｍＶ程
度に増幅される。この増幅過程に於いて、増幅前の微弱
な受信信号に混入するわずかな電気ノイズ等も、そまま
増幅されてしまい、探傷できる欠陥の大きさにはおのず
と限界があり、より小さな欠陥をノイズに影響されるこ
となく探傷したい場合には、送信パルスの振幅を上げざ
るを得ず、探触子による超音波の伝達効率の悪さに起因
するエネルギー損失を加味すると、その振幅の上げ幅
は、相当なものとなり、ハードウェアの構成上非現実的
である。

【０００５】このような問題点を解決するための手段と
して図９に示すような超音波探傷装置が提唱されている
（特公平３−４３５８６号公報）。この図９の超音波探
傷装置においては、７は同期部１からの出力信号に同期
して送信部２へのパルス幅を可変する周波数可変回路、
８は周波数可変回路７への制御信号を出力する周波数設
定手段、９は周波数可変回路７の出力信号の波数を可変
する波数可変回路、１０は波数可変回路９への制御信号
を出力する波数設定手段である。このような構成を有す
る超音波探傷装置では送信周波数と送信波数をそれぞれ
可変できるため、送信波（図１０の（ａ））が、探触子
の周波数特性のピーク付近、つまり、探触子の超音波伝
達効率の最も良い周波数範囲で送信できるため（図１０
の（ｂ））、探触子の送受信に於けるエネギーロスが小
さくて済む。更に、パルス波（図１０の（ｃ））に比べ
て時間軸方向に長い送信波は、送信エネルギーとして
は、従来のパルス波よりも高い。結局、探触子によるエ
ネルギーロスが小さく、送信エネルギーの大きな送信波
により得られる受信信号は、ノイズに対する影響を受け
にくい。

【０００６】更に、上記の問題を解決する技術としてレ
ーダーの分野で良く知られているパルス圧縮という技術
がある（Radar handbook, Skolnik et.al.,McGraw-Hill
Inc,.1970）。この技術は周知のように、位相を符号化
した波形又は周波数を変調させた時間軸方向に長い波形
（ＦＭ波と呼ぶ）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（パルス圧
縮）を行うことにより、受信波の時間軸方向の幅を短く
すると同時に、振幅の鋭い波形（メインローブ）を得
て、ノイズを低減する技術である。図１１の（ｄ）に相
関処理後の波形を示す。波形に於けるメインローブの振
幅は、受信波形が送信波形と同一である場合には、（Ｂ
Ｔ）^1/2、更にその幅は２／Ｂとなる。超音波探傷に於
いては、受信波形は必ずしも送信波形と同じではない
が、送信波形のパルス幅Ｔおよび周波数遷移幅Ｂを大き
くするほど、メインローブの振幅を大きくすることがで
き、周波数遷移幅Ｂを大きくする程、メインローブの幅
を短くすることができると言える。これより、送信波の
時間軸方向を長くすることにより生じる時間軸方向の分
解能の劣化を解消することができる。

【０００７】図１１を用いて一般的なＦＭ信号波形の特
徴を説明する。ＦＭ信号（図１１の（ｃ））において
は、パルス幅Ｔ内において、周波数Ｂと振幅形状（図１
１の（ｂ））とが互いに独立して任意に設定される。図
１１の（ｄ）に相関処理後の波形を示す。この技術を超
音波探傷に適用した適用した装置として、特開昭６３−
２３３３６９号公報において提案されている装置が知ら
れている。

【０００８】この公報において提案されている装置にお
いては、図１２に示すように、ＦＭ信号設定部２１で作
成された送信パルス信号ｂ₁（ｂ₂）はＦＭ信号送信部
２２より２００Ｖp-p 程度の振幅に増幅され、超音波探
触子３へ送信される。超音波探触子３は送信パルス信号
ｂ₁（ｂ₂）に応答して超音波パルスを被検体４へ送波
し、反射波を受波する。受波された反射波は、エコー信
号に変換されて直交検波部２５へ入力される。エコー信
号は直交検波部２５により複素信号に変換され、周波数
帯域の低域変換を行い、所定の電圧レベルに増幅され次
の相関部２６へ入力される。一方、参照波設定部２７
は、ＦＭ信号設定部２１で作成された送信パルス信号ｂ
₁（ｂ₂）を用いて参照信号ｒ₁（ｒ₂）を作成して、
参照波発信部２８を介して前記相関部２６へ送出する。
相関部２６は、エコー信号と参照信号ｒ₁（ｒ₂）との
相関演算を行うことによって、エコー信号をパルス圧縮
する。パルス圧縮されたエコー信号ｄ₁（ｄ₂）は直交
変調部２９でもって時差時間信号に変換されて、表示部
３０に表示される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の図１２に示され
る装置（パルス圧縮装置）において、図１３の（ａ）に
示すようなチャープ波（周波数遷移幅：１〜９ＭＨｚ、
パルス幅：５μｓ）を送信波及び参照波を用いると（図
１３の（ｂ）にそのスペクトラムを示す。）、パルス圧
縮後の波形は、図１３の（ｃ）のようになる。図１３の
（ｃ）において、鋭い振幅をもったメインローブが得ら
れると共に、その周辺にはサイドローブと呼ばれる一種
のノイズが発生する。このノイズは、例えば板状の被検
体を探傷する場合に、底面近傍に存在する欠陥の検出に
おいては、Ｓ／Ｎ劣化の原因となる。このサイドローブ
発生の原因は、図１３の（ｂ）におけるリップルの増大
に起因している。

【００１０】このリップルの発生原因は、チャープ波の
切り出し窓におけるサイロドーブに起因し、このサイド
ローブを低減することが、チャープ波におけるリプルを
低減し、ひいては、パルス圧縮後のサイドローブの低減
につながる。サイドローブの低減のための窓関数として
は、ハミング窓等が提案されている。図１３の（ｄ）に
窓関数の種類と、（ｅ）にそのスペクトラムを示す。

【００１１】例えば、ハミング窓により切り出したチャ
ープ波（図１３の（ｆ））による、図１２に示すパルス
圧縮装置におけるパルス圧縮後の波形（図１３の
（ｈ））は、サイドローブの少ない波形となり、底面近
傍の欠陥の探傷においても良好なＳ／Ｎを確保できる。
しかしながら、図１４の（ａ），（ｂ）に示すように、
ハミング窓のような窓関数を用いると、そのスペクトル
の面積は小さくなる。従って、その面積の２乗により表
される波形のエネルギーは、小さくなるため、送信エネ
ルギーの減少を招き、パルス圧縮前の波形においてはノ
イズの影響を受けやすくなる。これを防ぐためには、チ
ャープ波のパルス幅を長くし、送信エネルギーを大きく
すること（図１４の（ｃ））が効果的であるが、次に述
べるような問題を含んでいるためチャープ波のパルス幅
を長くするのは得策ではない。更に、送信波へのハミン
グ窓のような窓関数の適用は、送信波の狭帯域化をまね
き、その結果としてメインローブの波数の増加を招く。
これは、探傷時の分解能劣化を招く。

【００１２】ここで、チャープ波のパルス幅を長くでき
ない理由について説明する。図１５の（ａ）のように水
３５の中に配置された被検体である銅３６の表面近傍に
存在する欠陥３７（直径５．６ｍｍの平底穴、表面から
の深さ７ｍｍ）を探傷する場合についてみると、探触子
３が受信した欠陥エコー（Ｆエコー）は所定の電圧レベ
ルに増幅されるが、このとき、表面反射エコー（Ｓエコ
ー）は欠陥エコーに比べて極端に振幅が大きく、図１５
の（ｂ）のように飽和状態となり、ＳエコーとＦエコー
の重複部分が失われてしまうため、パルス幅が短く重な
らない場合（図１５の（ｃ））に比べてパルス圧縮によ
るメインローブが変化し、Ｆエコーの再現性が失われる
ため、不感帯の増大につながる。

【００１３】本発明は、上述のような問題点を解決する
ためになされたものであり、検査精度を向上させること
を可能にした超音波検査方法を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様に係
る超音波検査方法は、所定パルス幅内で周波数が遷移す
るチャープ波を送信波として探触子を介して被検体内に
送信し、探触子を介して得られるその受信波と、予め設
定されたチャープ波からなる参照波との相関処理を行
い、その相関処理後のパルス圧縮された信号によって被
検体の状態を把握する超音波検査方法において、送信波
として用いられるチャープ波はその振幅が一定であり、
参照波として用いられるチャープ波は、その周波数遷移
幅及びパルス幅が送信波のチャープ波のそれと同一であ
り、且つ、反射波との相互相関によって得られるパルス
圧縮波形のサイドローブを小さくするために探触子と被
検体の周波数特性を考慮して、その振幅が始点及び終点
においてそれぞれ滑らかに変化する。

【００１５】本発明の他の態様に係る超音波検査方法
は、上記の超音波検査方法において、波形の始端部から
中央部にかけて滑らかに立ち上がり、そして、波形の中
央部から終端部にかけて滑らかに立ち下がるような包絡
線を有するチャープ波の周波数特性を求めてそれを第１
の周波数特性とし、そのチャープ波に共役な関係にある
チャープ波の周波数特性を求めてそれを第２の周波数特
性とし、更に、送信波に用いられるチャープ波の周波数
特性と探触子と遅延材又は被検体を含む超音波伝搬系の
周波数特性との積を演算することにより求められたチャ
ープ波の周波数特性を求めてそれを第３の周波数特性と
し、そして、第１の周波数特性と前記第２の周波数特性
との積を第３の周波数特性で除算して得られる周波数特
性を有するチャープ波を、参照波のチャープ波として用
いる。

【００１６】本発明の他の態様に係る超音波検査方法
は、上記の超音波検査方法において、送信波のチャープ
波は、その包絡線の始端部及び終端部においてそれぞれ
丸みを帯びた形状である。本発明の他の態様に係る超音
波検査方法は、上記の超音波検査方法において、探触子
と遅延材又は被検体を含む超音波伝搬系の周波数特性を
求めるに際しては、送信波にパルス波を用いてその周波
数特性を求めてそれを第４の周波数特性とし、更に、被
検体からの反射波の周波数特性を求めてそれを第５の周
波数特性とし、第５周波数特性を第４の周波数特性で除
算することにより求める。

【００１７】

【作用】まず、以後の説明を簡単なものとするために、
以下の説明を行う。時間軸上（ｔ）の表現から、周波数軸上（ω）の表現
への変換（フーリエ変換）を、時間軸上の関数ｆ（ｔ）
とフーリエ変換による関数Ｆ（ω）との関係は次式によ
り表される。

【００１８】

【数１】

【００１９】畳み込み演算＊：畳み込み演算

【００２０】

【数２】

【００２１】パルス圧縮を用いた超音波探傷装置は、図
１６に示されるような構成となるが、送信チャープ波の
発生から、受信アンプにおける反射エコーの受信に至
る、いわゆる超音波伝達系においては、例えば送信チャ
ープ波の周波数軸上での関数をＳ（ω）（時間軸上での
関数をｓ（ｔ）とする。）とすると、受信アンプで増幅
されるまでには、探触子における送受信における伝達特
性Ｔ（ω）、被検体の材料特性（超音波の減衰特性等）
Ｍ（ω）及び受信アンプの増幅特性Ａ（ω）の影響によ
り、反射エコーＲ（ω）は（時間軸上での関数ｒ（ｔ）
となる）、（７）式のように表現できる。Ｒ（ω）＝Ｓ（ω）・Ｔ（ω）・Ｍ（ω）・Ａ（ω） …（７）

【００２２】一方、ハミング窓（hamming-Window）のよ
うな窓関数ｗ_H（ｔ）（周波数軸上での関数はＷ
_H（ω）となる。）によりチャープ波ｓ（ｔ）の切り出
しによるチャープ波はｓ_H（ｔ）は、（６）式より、
（８）式及び（９）式のように表現することができる。ｓ_H（ｔ）＝ｓ（ｔ）・ｗ_H（ｔ） …（８）Ｓ_H（ω）＝１／２π｛Ｓ（ω）＊Ｗ_H（ω）｝ …（９）また、包絡線がほぼ一定となるチャープ波の窓関数は、
ほぼ矩形窓（rectanguler-Window）に一致するが、かか
る窓関数ｗ_R（ｔ）によるチャープ波の切り出しは、
（１０）式、（１１）式のようになる。ｓ_R（ｔ）＝ｓ（ｔ）・ｗ_R（ｔ） …（１０）Ｓ_R（ω）＝１／２π｛Ｓ（ω）＊Ｗ_R（ω）｝ …（１１）

【００２３】なお、（９）式と（１１）式において１／
２πは形式上省略してもさしつかえないため以下省略す
る。ここで、前述のパルス圧縮による超音波探傷装置に
よるパルス圧縮（相関）は、（１２）式のような式で表
現できる処理を行い、関数ｚ（τ）を得る。

【００２４】

【数３】

【００２５】（１３）式において、Ｓ^*（ω）はＳ
（ω）の共役であることを表している。さて、最適な相
関関数ｚ（ｔ）が得られる条件としては、ｒ（ｔ）がｓ
（ｔ）に等しい場合であり、つまり、送信チャープ波ｓ
（ｔ）の自己相関を取った場合である。実際には、超音
波伝達系における伝達関数が、フィルタとして作用する
ため、ｓ（ｔ）とｒ（ｔ）との相関はｓ（ｔ）の自己関
数に比べて劣化する。最適な相関関数つまり、送信チャ
ープ波の自己相関関数を得るためには、参照波に関して
（１４）式に示すようなＳ_ref（ω）を有する波形にす
ると良い。

【００２６】

【数４】

【００２７】更に、（８）式、（９）式ののように、自
己相関におけるサイドローブを低く抑えるようなチャー
プ波窓関数ｗ_H（ｔ）を用いたチャープ波を送信に用い
る場合の、最適な参照波は、（１４）式により（１５）
式のようになる。

【００２８】

【数５】

【００２９】本発明による送信チャープ波は、（１０）
式、（１１）式に示すような矩形窓の類であるから、こ
の関数を用いたときの参照波Ｓ_refR（ω）と受信波Ｒ
（ω）の相互相関が、Ｓ_H（ω）による場合の相互相関
に等しくならしめるためには、次の（１６）式に示すよ
うな参照波Ｓ_refR（ω）となる。

【００３０】

【数６】

【００３１】更に、送信チャープ波においてはその包絡
線の始端部・終端部においてやや丸みをもたせると、図
１７のようにそのスペクトラムにおける雑ノイズ成分は
除去されるため、Ｓ_refR（ω）の算出課程における波形
劣化を防ぐことができる。また、（１６）式における、
超音波伝達系の伝達特性を求めるためには、その位相特
性が直線形で、振幅特性においてもほぼ直線となるパル
ス波を用いると、都合がよい。

【００３２】

【実施例】図１は本発明に係る超音波検査方法が適用さ
れた装置の一例を示す機能説明図である。図１におい
て、４１は各回路に必要な同期信号を発生し出力する同
期部、４２は所定波形の２種類の互いに変調方向の異な
る周波数変調信号（この例ではチャープ信号波）を設定
するＦＭ信号設定部、４３はＦＭ信号設定部で設定され
たＦＭ信号に基づき同期信号に準拠し、どちらか一方の
ＦＭ信号を読みだす信号読出部５０により読み出された
ＦＭ信号を送信するＦＭ信号送信部、４６は相関処理を
行うパルス圧縮部である。４７はＦＭ信号設定部４２に
より設定されたＦＭ信号と、パルス波設定部４９から信
号読出部５０を経て送信され、パルス圧縮を行わないで
表示部４８に表示された被検体４からの反射エコーか
ら、送信波と同じ変調周波数と波形長さを有するチャー
プ波を設定する参照波設定部、４８はパルス圧縮部で相
関された結果を表示する表示部である。

【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、６１はパー
ソナルコンピュータであり、図１の同期部４１、ＦＭ信
号設定部４２、ＦＭ信号送信部４３、パルス波設定部４
９、信号読出部５０、及び参照波設定部４７の各機能動
作を全て行うものである。６２はＤ／Ａ変換部、６３は
送信用アンプ、６４は探触子、６５は被検体、６６は受
信用アンプ、６７はＡ／Ｄ変換部である。６８はＦＩＲ
フィルタであり、図１のパルス圧縮部４６の具体的なハ
ードウェアである。ＦＩＲフィルタ６８としては、例え
ば図３の構成によるものでよい。６９はＤ／Ａ変換部、
７０はオッシロスコープである。

【００３４】図２においては、パーソナルコンピュータ
６１で作成された周波数変調方向の互いに異なる２種類
のＦＭ波形は、Ｄ／Ａ変換器６２によりそれぞれアナロ
グ信号に変換され、送信用アンプ６３により所要の送信
電力まで増幅され、探触子３から超音波として被検体４
内に送信される。探触子３及び受信された信号は受信用
アンプ６６で信号増幅され、Ａ／Ｄ変換器６７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６８によりパーソナルコンピュー
タ６１が作成する参照波と相関演算され、パルス圧縮処
理が行われる。ここで、パーソナルコンピュータ６１を
使用した理由は、プログラムの変更により、送信・参照
波の形状を任意に設定できるからである。更に、ＦＩＲ
フィルタ６８からの出力信号は、Ｄ／Ａ変換器６９でア
ナログ信号に変換され、７０のオッシロスコープにて表
示される。

【００３５】また、図３に示すデジタルフィルタは、前
述の（３）式に示すアナログによる畳み込み演算と等価
なデジタルによる演算（（１７）式）を行う。ここで
は、その変形として相関演算を行うことができ（（１
２）式）、Ａ／Ｄ変換器６７により離散化された２つの
関数ｘ（ｎ）とｙ（ｎ）に関してアナログによる（１
２）式と等価な次の（１７）式に示すような畳み込み演
算を行うことができる。

【００３６】

【数７】

【００３７】図３の（ａ）にデジタルフィルタの構成を
示す。＋印は加算器、Ｘは乗算器、Ｚ^-1は遅延器であ
り、各遅延器は乗算器の演算結果を、サンプリング周期
（ΔＴ）に相当する時間の遅延を行う。このデジタルフ
ィルタは、ΔＴでサンプリングされた受信波形ｒ（τ）
と同じく離散化されたフィルタ係数Ｓ（ｎ）との間に、
（１７）式に示す演算を行うことが可能である。この実
施例では、Ｓ（ｎ）は１２８個の係数Ｃ₀〜Ｃ₁₂₇とな
っている。ここで、受信波形ｒ（τ）とフィルタ係数Ｃ
_iを図３の（ｂ）のような波形に設定したときのデジタ
ルフィルタの動作について説明する。ある時間τ₁にお
いて入力端から入力された受信波形の値ｒ（τ₁）は、
Ａ₀〜Ａ₁₂₇の１２８個の乗算器にそれぞれ入力され
る。例えば、乗算器Ａ₀に入力されたｒ（τ₁）は、フ
ィルタ係数Ｃ₀との乗算を行い、その結果は加算器Ｄ₀
に入力される。ここで、加算器Ｄ₀の他方に入力される
値は、前段の加算器Ｄ₁の加算結果が遅延器Ｂ₀により
ΔＴだけ遅延された値である。加算器Ｄ₁に入力される
値として、時間（τ₁−ΔＴ）にサンプリングされた受
信波の値ｒ（τ₁−１）とＣ₁のＡ₁における乗算結果
とさらに前段の加算器Ｄ₂の加算結果が遅延器Ｂ₁によ
りΔＴだけ遅延された値である。このようにしてみと、
加算器Ｄ_iにより加算される値は、時間（τ₁−ｉ×Δ
Ｔ）においてサンプリングされた受信波形の値ｒ（τ₁
−ｉ）とフィタル係数Ｃ_iの乗算器Ａ_iにおける乗算結
果と遅延器Ｂ_iに入力される加算器Ｄ_i-1の加算結果で
あり、加算器Ｄ_i-1に入力される値は、時間（τ₁−
（ｉ−１）×ΔＴ）においてサンプリングされた受信波
形の値ｒ（τ₁−（ｉ−１））とフィルタ係数Ｃ_i-1の
乗算器Ａ_i-1における乗算結果と遅延器Ｂ_i-1に入力さ
れる加算器Ｄ_i-2の加算結果である。つまり加算器Ｄ_i
に入力される遅延器Ｂ_iからの値ｘ（ｉ）を見てみる
と、（１９）式のように表すことができる。

【００３８】

【数８】さらに最終段の加算器Ｄ₀に入力される遅延器Ｂ₀から
の値ｘ（０）に関しては、（２０）式のように表するこ
とができる。

【００３９】

【数９】

【００４０】よって、デジタルフィタルの出力する値ｚ
（τ₁）は、（２１）式のように表することができる。

【００４１】

【数１０】

【００４２】（２０）式と図３の（ｂ）より、デジタル
フィルタにおける演算では受信波形ｒ（τ）とフィルタ
係数Ｃ_iでは、互いに時間軸方向となるように並べられ
たサンプリング値の配列（２０）式では、ｒ（τ）を逆
の時間軸方向に配列し、Ｃ_iは順の時間軸方向に配列す
る。）の各値どうしの乗算を行い、その総和をとったも
のとなる（図３の（ｃ））。

【００４３】しかしながら、相関演算は（１８）式に示
すような処理を行うが、２つの波形ｓ（ｎ）とｒ（τ）
の時間軸方向は一致している。これを図３の（ａ）のご
ときデジタルフィルタを用いるならば、フィルタ係数Ｃ
_iの配列方向を、時間軸方向に対して逆向きにする事に
より、等価な処理を行える。図３の（ｂ）より、ある時
間（τ₁−１１７×ΔＴ）を時間τ₂に置き換えると、
ｒ（τ₁−１２７）はｒ（τ₂）となる。これより１２
７×ΔＴ時間後にサンプリングされる受信波形の値はｒ
（τ₂＋１２７）となる。つまり、これを（２１）式に
当てはめ、（１８）式のような相関演算を達成するため
には、フィルタ係数を時間軸方向に対して逆向きに並べ
変えればよい（図３の（ｄ））。この結果行うことので
きる演算式を（２２）式に示す。チャープ波による相関
演算の展開に関しては、フィルタ係数に参照波を導入す
ればよい。

【００４４】

【数１１】

【００４５】図４は図３の（ａ）のデジタルフィルタに
よる同一周波数変調・同一パルス幅のチャープ波形間の
相関演算の動作を示す波形図である。ある瞬間τ₁にお
いて相関演算の対象となる受信波形の各サンプリング値
の配列は（ａ）のようになる。また、ある瞬間τ₂にお
ける受信波形のサンプリング値の配列は（ｂ）、瞬間τ
₃における受信波形のサンプリング値の配列は（ｃ）と
なる。一方、相関処理を行うべきれ参照波形Ｃ₁は同様
にサンプリングされＣ₀〜Ｃ₁₂₇の配列（ｄ）となる。
ここで、受信波形の配列（ａ）と参照波形の配列（ｄ）
との（２２）式に示す相関処理を行うと、その演算結果
の出力タイミングとしては、ｒ（τ₁＋１２７）がサン
プリングされた瞬間となる。配列（ａ）と（ｃ）との
（２２）式の演算については、受信波形が反射エコーで
ないことから相関性は無いことから低い値を示すが、
（ｂ）と（ｃ）との演算に関しては、相関性が大である
ことから、高い値を示す。結局、サンプリング周期ΔＴ
毎に得られる（２２）式の結果をｚ（τ）としてみる
と、反射エコー近辺において急峻なメインローブを持つ
関数が得られる。

【００４６】ここで、一つの具体例として、厚さ２５ｍ
ｍの鋼板上の被検体（ＳＴＢ−Ｎ１標準試験片）の探傷
を行った。使用する探触子としては、公称周波数５[MH
z] の広帯域型探触子である。まず、図５の（ａ）に示
すようなパルス波（スペクトルを図５の（ｂ）に示
す。）の送信により、図５の（ｃ）のような底面エコー
を得た（スペクトルを図５の（ｄ）に示す。）。ここ
で、パルス波のスペクトル（図５の（ｂ））を見ると、
パルス幅が短くなればなるほど、フラットな直線（図５
の（ｂ）中においては実線）を有するが、実際には有限
長のパルス幅を有するため、（ｂ）中の点線のような形
状を有するようになる。また、図５の（ｃ）で示される
波形は、周波数軸上では（７）式におけるＲ（ω）に相
当する波形であるが、送信波Ｓ（ω）は、パルス波であ
るから「Ｓ（ω）＝１」とみなすことができ、底面エコ
ーはＴ（ω）・Ｍ（ω）・Ａ（ω）とみなすことができ
る。更に、エコー周辺のノイズによる影響を無くすた
め、エコーのみを切り出し、この波形を超音波伝達系に
おける伝達特性とした（図５の（ｅ）と（ｆ））。

【００４７】送信に用いるチャープ波形を図６の（ａ）
に示す。そして、図６の（ａ）に示す送信チャープ波形
が、既に既知である図５の（ｅ）及び（ｆ）に示す超音
波伝達系の伝達特性を有するフィルタを通過した波形
が、図６の（ｂ）に示す波形である。そのスペクトルを
図６の（ｃ）に示す。ここで、（７）式のＳ（ω）に送
信チャープ波Ｓ_R（ω）用いたときの受信波Ｒ（ω）
は、図６の（ｂ）及び（ｃ）に示す関数となる。これよ
り、窓関数を（８）式に示すハミング窓を用いて、（１
６）式に示す参照波Ｓ_refR（ω）を求めてみると、図６
の（ｄ）のような参照波となる。この参照波と前述の送
信波との相関を行った結果、図６の（ｅ）のごとき相関
関数ｚ（ｔ）を得た。これは、ハミング窓によるチャー
プ波の送信により得られる従来の相関関数（図６の
（ｆ））と比較して、サイドローブ及びメインローブの
波数ともに低減され、パルス圧縮の効果が向上している
ことが認められる。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、サイドロ
ーブ低減を目指した窓関数の適用に伴う送信エネルギー
の減少を補うようにしたので送信エネルギーの減少が避
けられており、また、被検体等の超音波伝達系における
伝達特性を参照チャープ波に盛り込むことができるよう
にしたので、探触子の種類、被検体の材料特性のばらつ
きや探傷器のアンプ特性のばらつき等の探傷条件毎に異
なる超音波伝達系による波形のばらつきを、補正できる
ため、常に最適なパルス圧縮波形が得られる。これは、
探傷精度の向上のみならず、とかく問題となる探傷結果
の定量性に関する一つのアプローチとして有効な手段と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超音波検査方法が適用
された装置の機能構成図である。

【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】図２のＦＩＲデジタルフィルタの構成例を示す
図である。

【図４】図３の動作を説明するための図である。

【図５】上記実施例における各種波形の説明図である。

【図６】上記実施例における各種波形の説明図である。

【図７】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】従来の一般的な超音波探傷装置を用いた探傷に
より得られる探傷波形の説明図である。

【図９】従来の一般的な超音波探傷装置の機能構成図で
ある。

【図１０】従来の一般的な超音波探傷装置を用いた探傷
により得られる探傷波形の説明図である。

【図１１】相関処理の原理を説明する図である。

【図１２】従来の一般的な超音波探傷装置の機能構成図
である。

【図１３】従来の一般的な超音波探傷方法を用いた探傷
の問題点の説明図である。

【図１４】従来の一般的な超音波探傷方法を用いた探傷
の問題点の説明図である。

【図１５】従来の一般的な超音波探傷方法を用いた探傷
の問題点の説明図である。

【図１６】本発明に係る超音波探傷方法を説明する図で
ある。

【図１７】本発明に係る超音波探傷方法により得られる
探傷波形の説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定パルス幅内で周波数が遷移するチャ
ープ波を送信波として探触子を介して被検体内に送信
し、前記探触子を介して得られるその受信波と、予め設
定されたチャープ波からなる参照波との相関処理を行
い、その相関処理後のパルス圧縮された信号によって被
検体の状態を把握する超音波検査方法において、前記送信波として用いられるチャープ波はその振幅が一
定であり、前記参照波として用いられるチャープ波はそ
の周波数遷移幅及びパルス幅が前記送信波のチャープ波
のそれと同一であり、且つその振幅が始点及び終点にお
いてそれぞれ滑らかに変化するものであることを特徴と
する超音波検査方法。
【請求項２】波形の始端部から中央部にかけて滑らか
に立ち上がり、そして、波形の中央部から終端部にかけ
て滑らかに立ち下がるような包絡線を有するチャープ波
の周波数特性を求めてそれを第１の周波数特性とし、そ
のチャープ波に共役な関係にあるチャープ波の周波数特
性を求めてそれを第２の周波数特性とし、更に、前記送
信波に用いられるチャープ波の周波数特性と探触子と遅
延材又は被検体を含む超音波伝搬系の周波数特性との積
を演算することにより求められたチャープ波の周波数特
性を求めてそれを第３の周波数特性とし、そして、前記
第１の周波数特性と前記第２の周波数特性との積を前記
第３の周波数特性で除算して得られる周波数特性を有す
るチャープ波を、前記参照波のチャープ波として用いる
ことを特徴とする請求項１記載の超音波検査方法。
【請求項３】前記送信波のチャープ波は、その包絡線
の始端部及び終端部においてそれぞれ丸みを帯びた形状
であることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波検
査方法。
【請求項４】前記探触子と遅延材又は被検体を含む超
音波伝搬系の周波数特性を求めるに際しては、送信波に
パルス波を用いてその周波数特性を求めてそれを第４の
周波数特性とし、更に、被検体からの反射波の周波数特
性を求めてそれを第５の周波数特性とし、前記第５周波
数特性を前記第４の周波数特性で除算することにより求
めることを特徴とする請求項２又は３記載の超音波検査
方法。