JPH1062394A - 超音波探傷装置の感度設定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波探傷法において、デジタル信号処理に
よるパルス圧縮処理を適用する際に、不感帯が少なくな
るように探傷感度を設定する。 【解決手段】 受信信号を増幅器１で増幅後Ａ／Ｄ変換
器２でＡ／Ｄ変換し、送信信号と相似の参照信号とＡ／
Ｄ変換された受信信号との相互相関をＦＩＲフィルタ３
を用いてとることにより受信信号のパルス圧縮を行い、
パルス圧縮された受信信号に基づいて評価部４において
欠陥の判別を行う超音波探傷器の感度を設定する方法で
あって、受信信号中の境界面エコーがＡ／Ｄ変換器２で
飽和しないように増幅器１の増幅度を設定し、パルス圧
縮後の欠陥エコーが評価部４において所望の大きさの範
囲に入るように、評価部に入力するＦＩＲフィルタ３の
出力ビットを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波パルスの反
射波を用いて材料内部の欠陥の探傷を行なう超音波探傷
法において、デジタル信号処理によるパルス圧縮処理を
適用する際に、不感帯が少なくなるように探傷感度を設
定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波探傷は、超音波パルス波を材料に
入射せしめ、そのエコー信号を基に材料中の欠陥を探傷
するものである。超音波探傷の信頼性や欠陥検出能力は
エコー信号のＳＮ比（信号対雑音比）で決まり、ＳＮ比
を向上させるための努力が多く払われている。

【０００３】ＳＮ比を大きく向上させる方法として、例
えば特開平７ー１６７８４４号公報には、デジタル信号
処理によるパルス圧縮技術を適用した超音波探傷方法が
開示されている。図６は、この技術の原理を示したもの
である。

【０００４】図６において、送信信号をパーソナルコン
ピュータ３０で計算して作り、Ｄ／Ａ変換器３１でアナ
ログ信号に変換して送信増幅器３２で増幅し、探触子２
６で超音波信号に変換して材料へ送り込む。エコー信号
は再び探触子２６で電気信号に変換され、受信増幅器３
３で増幅され、更にＡ／Ｄ変換器３４でデジタル信号に
変換された後、ＦＩＲ（Finite Impulse Response ）フ
ィルタ３５でパルス圧縮処理を施される。パルス圧縮さ
れたエコー信号は、ＣＲＴ表示器２９ａや欠陥判定のた
めの評価部でエコーの大きさが評価され、欠陥の有無の
判定に供される。Ａ／Ｄ変換器と評価部のbit数として
は、一般に１０bit程度が使用される。

【０００５】ここで、送信信号にはバースト波状の正弦
波を周波数変調したチャープ波（周波数が時間的に変化
する波形）や、位相変調した相補系列などが用いられ
る。これらの送信信号のパルス幅は長いが、パルス圧縮
処理により短く圧縮されるので、高い時間分解能が得ら
れる。

【０００６】パルス圧縮処理は、ＦＩＲフィルタ３５の
係数メモリに参照信号を書き込んでおき、ＦＩＲフィル
タ３５で相互相関演算を行うことにより実行される。

【０００７】パルス圧縮処理技術はレーダの分野で周知
の技術（技術文献として、Rader Handbook, Skolnik, e
t.al, McGraw-Hill Inc., 1970がある）であり、位相を
符合化した波形又は周波数を変調させた波形（ＦＭ信
号）を送信波として採用し、受信波形と送信波形の相互
相関演算をとることにより、受信波のパルス時間幅を短
くすると同時に、信号の伝播途中に加わった雑音を低減
する技術である。長いパルス幅の送信信号を用いること
と、相互相関演算によって送信信号とは無相関のノイズ
を低減することにより、ＳＮ比を大きく向上できる。パ
ルス圧縮処理技術の超音波探傷法への応用については、
前記特開平７ー１６７８４４号公報に詳しく説明されて
いる。

【０００８】図７にＦＩＲフィルタ３５のブロック図を
示す。図７において、３５ａは掛算器、３５ｂは加算
器、３５ｃはクロック１周期分の遅延回路を示す。クロ
ック信号に同期してサンプリングされた入力信号Ｘ（１
０bit ）は、端子３５ｄから入力され、１２８個の掛算
器３５ａに並列に入力される。各々の掛算器３５ａに
は、送信信号を１２７に時分割し、各分割点においてサ
ンプリングした１２８個の参照信号Ｃ₁ 〜Ｃ₁₂₈ （１０
bit ）が入力されている。そして、クロックに同期した
タイミングで入力信号と参照信号の間に遅延回路３５ｃ
を介した積和演算が行われ、入力信号と参照信号との相
互相関が演算される。

【０００９】ＦＩＲフィルタ３５においては、１０bit
分の振幅の入力信号と参照信号との相互相関を演算する
と、出力信号の振幅は２０数bit分もの大きな信号とな
るため、一般にＦＩＲフィルタ３５の掛算器３５ａ、加
算器３５ｂは２０数bitの桁を持ったものが使われる。
一方、検波評価部４は１０bitで十分であるので、この
２０数bitの内の１０bitを取り出して、評価部に用い
る。

【００１０】このような超音波探傷法において、信号レ
ベルの設定は、従来、次のように行われている。まず、
参照信号については、分解能を最大限に上げるため、１
０bit の場合、最大振幅が５１１を超えない範囲で５１
１に近い値となるように選ばれている。また、パルス圧
縮前の信号が飽和するレベルで、パルス圧縮後の信号も
大体飽和するように設定されている。このようにするた
め、出力信号の２０数bitの内、有効な最上位bitの位置
を１０bitのＭＳＢ（Most Significant Bit）として選
択して評価部へ出力するようにする。さらに、欠陥探傷
における感度設定は、基準となる面や人工傷からのエコ
ー高さが評価部やＣＲＴで適当な値、例えば50％になる
ように受信増幅器３３の増幅度を設定する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術には、次のような問題があった。

【００１２】垂直探傷において小さい欠陥を探傷しよう
とする場合、小さい人工傷、例えばφ２mm の平底穴か
らの信号が評価部で５０％の大きさとなるように受信増
幅器３３の増幅度を設定する。すると、Ｓエコー（表面
エコー）やＢエコー（底面エコー）などの境界面エコー
がＡ／Ｄ変換器３４の量子化範囲を越えて飽和すること
になる。このような感度設定で実際に探傷を行う際、境
界面エコーの手前に小さい欠陥があると、そのＦエコー
（欠陥エコー）はパルス圧縮前では境界面エコーに重な
っているので、境界面エコーが飽和している部分のＦエ
コーの波形の情報が失われている。この結果、パルス圧
縮後のＦエコーは本来の大きさより小さくなってしま
う。このため、底面近傍に不感帯が生じることになり、
底面近傍の欠陥を見逃すことにつながる。

【００１３】また、送信信号のパルス幅が長いほどＦエ
コーと境界面エコーの重なる割合が増えて不感帯が広が
るため、送信信号のパルス幅を長くすることができな
い。ＳＮ比は送信信号のパルス幅が長いほど高くできる
が、上記問題のため、あまり長いパルス幅を用いること
ができず、ＳＮ比に限界がある。

【００１４】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、パルス圧縮処理を垂直探傷に適
用して超音波探傷を行う際に、表面や底面などの境界面
の不感帯を小さくし、その部分に存在する小さな欠陥を
探傷できることができる超音波探傷装置の感度設定方法
を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記課題は、受信信号を
増幅器で増幅後Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、送信信号
と相似の参照信号とＡ／Ｄ変換された受信信号との相互
相関をＦＩＲフィルタを用いてとることにより受信信号
のパルス圧縮を行い、パルス圧縮された受信信号に基づ
いて評価部において欠陥の判別を行う超音波探傷器の感
度を設定する方法であって、受信信号中の境界面エコー
が前記Ａ／Ｄ変換器で飽和しないように前記増幅器の増
幅度を設定し、パルス圧縮後の標準欠陥エコーが評価部
において所望の大きさの範囲に入るように、評価部に入
力するＦＩＲフィルタの出力ビットを決定することを特
徴とする超音波探傷装置の感度設定方法により解決され
る。

【００１６】本発明においては、境界面エコーがＡ／Ｄ
変換器で飽和しないように受信増幅器の増幅度が設定さ
れるので、境界エコーに重なったＦエコーの波形情報が
失われることはなく、パルス圧縮後のＦエコーは小さく
ならない。一方、パルス圧縮後のＦＩＲフィルタの出力
bitから評価部に入力するbitを選択する際、選択位置を
ＬＳＢ（Least Significant Bit）側へずらしていく
と、選択された１０bit信号での振幅を２倍ずつ大きく
することができる。この結果、Ｆエコーを評価部にて所
望の例えば５０〜１００％のレベルになるように設定す
ることができる。

【００１７】さらに、評価部に入力するＦＩＲフィルタ
の出力ビットを決定した後、パルス圧縮後の標準欠陥エ
コーが評価部において規定の大きさとなるように、参照
信号の大きさを設定することにより、Ｆエコーを評価部
にて所望の例えばほぼ５０％に設定することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
に基づいて説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施の形態を示す図で、
デジタル信号処理によるパルス圧縮処理を適用した超音
波探傷装置の受信部を示している。図中、１は受信増幅
器、２はＡ／Ｄ変換器、３はＦＩＲフィルタ、４は検波
評価部であり、５はＡ／Ｄ変換における信号波形のレベ
ルを示した図、６はＦＩＲフィルタ後の信号波形のレベ
ルを示した図、７は評価部における信号レベルを示した
図である。５〜７において横軸は時間を示し、縦軸は信
号の大きさを示す。５、６における横軸１目盛は１μｓ
を表す。５における縦軸の最大値は±５００であり、６
における縦軸の最大値は±４×１０⁶ である。７におけ
る縦軸の最大値はＣＲＴ目盛１００％を示し、検波評価
部の出力で５００に相当する。

【００２０】受信増幅器１は周波数範囲が１０ＭHzまで
ある広帯域増幅器であり、その増幅度は最大１００dB
まで可変できるようになっている。受信増幅器１の入力
側には超音波探触子が取り付けられ、エコー信号が入力
される。Ａ／Ｄ変換器２はサンプリング周波数２５ＭH
z、データ語長１０bitである。ＦＩＲフィルタ３は入力
１０bit、係数（参照信号）１０bitであり、出力は２５
bitの桁を持っている。検波評価部４は、入力１０bitで
あり、入力のＡＣ波形を整流して９bit の検波波形に
し、ＣＲＴに出力するとともに欠陥の評価を行なうよう
になっている。

【００２１】ここで９bit の振幅は５１１に対応する
が、振幅５００が検波評価部４の１００％に相当するよ
うにしている。また、５〜７の信号は、厚さ２０mmの厚
板を用い、底面前３mmのφ２mm平底穴を、２分割垂直探
触子5Z3×20NDを用いて探傷した例を示すものである。
パルス圧縮のための送信信号にはチャープ波を用い、そ
のパルス幅は３μs、中心周波数は５ＭHz、周波数幅は
１０ＭHzとし、パルス圧縮のための参照信号は送信信号
と同一の波形を用ている。

【００２２】次に、以下に本発明による超音波探傷の感
度設定法の１例について説明する。ここではＦエコーが
検波評価部４で５０％、すなわち振幅で２５０となるよ
うに設定を行う。

【００２３】まず、ＢエコーがＡ／Ｄ変換器２で飽和し
ないように、受信増幅器１の増幅度を設定する。５はそ
の時の信号レベルを示すものであり、パルス圧縮前のＢ
エコーが振幅約５００の間に納まっていることが示され
ている。ここで振幅とは、１０bitのデジタル信号を整
数で示したものであり、１０bitのデジタル信号は−５
１２〜＋５１１までの範囲を持つので、振幅５００とは
飽和する少し手前のレベルであることを意味している。
５中、ＦエコーはＢエコーの１μs手前から現れ、２μs
分がＢエコーに重なっている。

【００２４】６はＦＩＲフィルタによるパルス圧縮後の
信号を示したものであり、Ｂエコーの振幅は約3.4×１
０⁶ になっている。これは２進数では２３bit分の信号
である。

【００２５】図２は、パルス圧縮後の出力bit 選択につ
いて示す図である。１０は入力信号、１１は係数（参照
信号）、１２は相関器でＦＩＲフィルタの演算部（図７
との対応においては、図７の最終段の掛算器３５ａと加
算器３５ｂを組み合わせたものに対応）、１３は出力信
号（図７との対応においては、図７の最終段の加算器３
５ｂの出力信号に対応）、１４〜１７は評価部への信号
でＦＩＲフィルタの出力から１０bit選択したものであ
る。

【００２６】以下の説明は、簡略化のため、加算器３５
ｂへの前段からの遅延信号は０であり、相関器１２の出
力は入力信号１０と係数１１の積のみで求められると仮
定し行う。

【００２７】各信号１０、１３〜１７の数値は、Ｂエコ
ーの最大値に対応する数値を示したものである。3.4×
１０⁶ の信号は、出力信号１３に示されるようにＬＳＢ
から２３bit分で表現される。但し、一番上のbitは符号
bitであり、ここがＭＳＢとなる。

【００２８】２３bit分の信号から１０bitを選択する
際、１４、１５のような選択をすると、選択された信号
のＭＳＢから１bit 〜２bit の信号が無意味なものとな
り分解能が悪い。１６のように、出力信号の有効な最上
位bitの位置を１０bitのＭＳＢとして取り出すと、Ｂエ
コーの振幅は１０bitの範囲に収まって表現され、Ｂエ
コーを飽和させない範囲で最大の分解能が得られる。

【００２９】１７のような選択をすると、本来プラスで
あるべき信号がマイナスとして表現され、Ｂエコー信号
が飽和して歪みが発生する。しかし、この段階では既に
信号のパルス圧縮処理が行われているので、Ｂエコー信
号を飽和させても情報量が失われることはない。

【００３０】本発明はこの点に着目してなされたもので
あり、Ｂエコー信号が飽和し、Ｆエコー信号が飽和しな
いように、出力信号１３のＬＳＢ側にずらして１０bit
を選択するようにするものである。ＬＳＢ側に１bit ず
らすことは相対的に２倍大きくすることに相当するの
で、Ｆエコーを検波評価部４にて十分な大きさにするこ
とができる。

【００３１】次に、Ｆエコーを所望の値に設定するため
の、ＦＩＲフィルタ出力のbit選択と参照信号の振幅設
定を図３によって説明する。図３において図中の符号は
図２と同様であるが、出力信号１０bitの選択位置をさ
らにＬＳＢ側へずらした１８〜１９と参照信号の再設定
後を示した１１’が加わっている。

【００３２】また、図３においては、各信号１０、１
３、１５〜１９の数値は、Ｆエコーに対応する数値を示
したものである。

【００３３】まず、Ｆエコーの大きさが検波評価部４に
おいて２５０〜５００の間に入るように出力信号１３の
bit を選択する。出力にて選択する１０bitのＭＳＢを
出力信号の有効な最上位bitに合わせて選択した場合、
図２の１６に示されているようにＢエコーの振幅は４２
０である。φ２mm 平底穴のＦエコーはＢエコーの約1/2
0であるので、この場合、Ｆエコーの振幅は図３の１５
に示されているように２１である。

【００３４】そこで、１９に示すように出力の選択位置
をＬＳＢ側へ４bit ずらす。このようにすると、Ｆエコ
ーの振幅は３３６となり、所望の設定値である５０％、
すなわち２５０と５００の間に入る。

【００３５】次に、参照信号の振幅を変えることによ
り、検波評価部４におけるＦエコーの振幅を２５０（５
０％）にする。１１’に示すように、参照信号の振幅を
250/336倍して小さくする。この結果、Ｆエコーの振幅
は２５０となり、所望の５０％に設定することができ
る。

【００３６】なお、評価部に用いる１０bitの選択位置
や、参照信号を小さくする割合は、用いる送信信号の波
形や超音波探触子の帯域によって異なるため、必ずしも
値は上記例に限らない。以上の操作を自動的に行なう場
合の手順の例を図４のフローチャートに示す。

【００３７】まず、参照信号の最大振幅を±５１１とし
ておく。次に、欠陥のない部分でエコー信号を得て、パ
ルス圧縮前のＢエコーの振幅が大体５００になるように
受信増幅器の増幅度を設定する。次に、標準欠陥のある
部分でエコー信号を得、Ｆエコーの振幅が２５０〜５０
０の範囲になるように、出力から１０bit選択する際の
位置を調整する。さらに、その時のＦエコーの振幅をβ
とし、参照信号の振幅を250／β倍にする。

【００３８】なお、参照信号の大きさは必ずしも変える
必要はない。例えば、参照信号の大きさを変える代わり
に、検波評価部４における欠陥評価レベルを変えても同
じ効果が得られる。

【００３９】また、Ｆエコーの振幅をどの範囲に設定す
るかは、探傷条件によって適宜決定されるが、bit の選
択範囲を１bit 変えると信号の大きさが２倍となるの
で、得るべきＦエコーの最小値を決定すれば、最大値は
その倍とするのが普通である。もちろん、たとえば、Ｆ
エコーの範囲を２５０〜５１１として、解が二つ得られ
た場合は大きい方を採用することも考えられる。

【００４０】Ｆエコーの最小値として２５６を超えた値
を採用したい場合には、あるbit 選択ではＦエコーが２
５５未満となり、bit 選択位置を１bit ＬＳＢ側にずら
すとＦエコーが５１１を超えて飽和してしまう可能性も
ある。このような場合には、受信増幅器の増幅度を落と
すか参照信号の大きさを小さくして、Ｆエコーを飽和し
ない範囲とする必要がある。

【００４１】図５は、厚さ２０mmの厚板を用い、底面前
２mmのφ２mm平底穴を、２分割垂直探触子5Z6×27NDを
用いて探傷した例であり、Ｆエコーを設定する信号レベ
ルを60％とした。

【００４２】(a）はパルス圧縮を用いない単一パルス波
による探傷波形で、まず欠陥上でＢエコーがほぼ１００
％になるように受信増幅器の増幅度を設定したものであ
る。(b) はＦエコーが６０％になるように増幅度を１６
dB増やしたものである。

【００４３】(c) 〜(f) はパルス圧縮処理を用いた場合
で、(c) はパルス圧縮前の信号がＡ／Ｄ変換器で飽和し
ないように受信増幅器の増幅度を設定した時の波形であ
る。

【００４４】(d) 〜(e) は従来の感度設定法によるもの
で、(d) は、パルス圧縮前後の振幅が等しくなるよう
に、ＦＩＲフィルタの出力信号の最上位bitをＭＳＢと
して評価部への１０bitを選択したもの、(e) は、受信
増幅器の増幅度を１６dB増やした結果である。

【００４５】(b) と(e) とを比較すると、パルス圧縮処
理の効果のため、(e) では(b) に比してノイズ成分が大
幅に低減し、Ｓ／Ｎ比が向上している。しかし、(e) で
は、飽和したＢエコーと重なっているＦエコーの成分が
失われているため、Ｆエコーの振幅は(b) のように６０
％になっていない。

【００４６】一方、(f) は本発明の感度設定法によるも
ので、評価部への１０bitの選択位置を(d) における出
力bit選択位置より３bit ＬＳＢ側へずらした位置に
し、その時のＦエコーの大きさを基に参照信号の振幅を
1/1.26倍で設定し直した時の波形であり、Ｆエコーの振
幅が６０％に設定されていることが示されている。そし
て、(b) に比して、ノイズ成分が大幅に低減し、Ｓ／Ｎ
比が向上していることがわかる。

【００４７】以上、実施例では、Ａ／Ｄ変換器のデータ
語長１０bit、ＦＩＲフィルタの入力１０bit、係数１０
bit、出力は２５bit、検波評価部の入力１０bitとし、
検波後の振幅５００が評価部の１０0％に相当するよう
にしたが、これに限るものではなく、また、相関の演算
にＦＩＲフィルタを用いたが、ソフトウェア的にＦＩＲ
フィルタと同じ演算を行なう方法に対しても適用可能で
ある。

【００４８】

【発明の効果】本発明においては、境界エコーに重なっ
たＦエコーの波形情報が失われることがないので、パル
ス圧縮後のＦエコーは小さくならない。また、Ｆエコー
の大きさを適当なものとすることができる。また、送信
信号のパルス幅も長くできるので、高いＳＮ比での探傷
ができる。よって、境界エコーの近傍に存在する欠陥エ
コーを見逃しなく探傷することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の感度設定法の実施の形態を示す図で
ある。

【図２】 パルス圧縮後の出力bit選択について示す図
である。

【図３】 本発明の出力bit 選択方法と、係数設定方法
を示す図である。

【図４】 本発明の感度設定法の手順を示した図であ
る。

【図５】 本発明と従来技術の探傷波形を比較して示す
図である。

【図６】 パルス圧縮技術を用いた超音波探傷法を示す
図である。

【図７】 ＦＩＲフィルタの要部を示す図である。

【符号の説明】

１ … 受信増幅器 ２ … Ａ／Ｄ変換器 ３ … ＦＩＲフィルタ ４ … 検波評価部 ５〜７ … 信号波形例 １０ … 入力信号 １１ … 参照信号 １２ … 相関器 １３ … 出力信号 １４〜１９ … 検波評価部への１０bit信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受信信号を増幅器で増幅後Ａ／Ｄ変換器
   でＡ／Ｄ変換し、送信信号と相似の参照信号とＡ／Ｄ変
   換された受信信号との相互相関をＦＩＲフィルタを用い
   てとることにより受信信号のパルス圧縮を行い、パルス
   圧縮された受信信号に基づいて評価部において欠陥の判
   別を行う超音波探傷器の感度を設定する方法であって、
   受信信号中の境界面エコーが前記Ａ／Ｄ変換器で飽和し
   ないように前記増幅器の増幅度を設定し、パルス圧縮後
   の標準欠陥エコーが評価部において所望の大きさの範囲
   に入るように、評価部に入力するＦＩＲフィルタの出力
   ビットを決定することを特徴とする超音波探傷装置の感
   度設定方法。
2. 【請求項２】 評価部に入力するＦＩＲフィルタの出力
   ビットを決定した後、パルス圧縮後の標準欠陥エコーが
   評価部において規定の大きさとなるように、参照信号の
   大きさを設定することを特徴とする請求項１に記載の超
   音波探傷装置の感度設定方法。