(57)【要約】【課題】本発明の目的は、得られる信号に対してノイズが強い場合でも、信号とノイズを識別できる超音波計測置及び方法を提供することにある。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、複数の参照波形を記憶する参照波形ＤＢ（１９）と、前記参照波形を生成するときに用いたゲート情報を記憶するゲート情報メモリ（１８）と、超音波センサ（１１）で受信した受信波形の所定の範囲にゲートをかけるゲート処理部Ａ（１４）と、前記ゲート情報を用いて、前記受信波形にかけたゲート部分に相当する参照波形を選択する参照波形選択部（１５）と、前記受信波形のゲート部分と前記選択した参照波形で相関処理する相関処理部（１６）と、を具備したことを特徴とする。【選択図】  図１
2020024090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波センサで受信した受信波形の所定の範囲を指定するゲート処理部と、
前記ゲート処理部での指定した範囲に相当する参照波形を選択する参照波形選択部と、
前記受信波形の指定した部分と前記参照波形選択部で選択した参照波形で相関処理する相関処理部と、を具備した超音波計測装置。
【請求項２】
請求項１における超音波計測装置において、
複数の参照波形を記憶する参照波形ＤＢと、
前記参照波形を生成するときに用いた指定範囲の情報を記憶するゲート情報メモリと、を具備した超音波計測装置。
【請求項３】
請求項２における超音波計測装置において、
検査体系のモデル化した情報を用いて超音波波形の伝搬解析を行う伝搬解析部と、
前記伝搬解析部で取得した超音波波形を記憶する解析結果ＤＢと、
前記伝搬解析部で取得した超音波波形毎に所定の範囲を指定して複数の参照波形を生成する第２ゲート処理部と、を具備した超音波計測装置。
【請求項４】
請求項２における超音波計測装置において、
予め試験体を用いて計測する予備計測部と、
前記予備計測部で取得した超音波波形を記憶する予備計測結果ＤＢと、
前記予備計測部で取得した超音波波形毎に所定の範囲を指定して複数の参照波形を生成する第２ゲート処理部と、を具備した超音波計測装置。
【請求項５】
請求項３又は４のいずれか一項における超音波計測装置において、
前記相関処理部で処理した波形と参照波形とを所定の範囲ごとに対応付けて表示する表示部と、を具備した超音波計測装置。
【請求項６】
超音波センサから被検体内部へ超音波を送信するステップと、
前記送信した超音波を受信するステップと、
前記受信した超音波に、ゲート情報に従い、所定の範囲を指定して、後の相関処理ステップで用いるデータを抽出するステップと、
前記受信した超音波の前記所定の範囲に対応する参照波形を選択するステップと、
前記受信した超音波の所定の範囲のデータと前記選択した参照波形で相関処理を実施するステップ、を有する超音波計測方法。
【請求項７】
請求項６における超音波計測方法において、
前記受信波形の所定の位置を移動するステップと、
前記受信波形に所定の位置を掛ける範囲が残っているかいないかを判定するステップを有する超音波計測方法。
【請求項８】
請求項７における超音波計測方法において、
前記所定の位置と相関処理した値を対応させて表示するステップと、を有する超音波計測方法。
【請求項９】
請求項６における超音波計測方法において、
検査体系のモデル化した情報を用いて超音波波形の伝搬解析を行うステップと、
前記伝搬解析を行うステップで取得した超音波波形毎に所定の範囲を指定して複数の参照波形を生成するステップを有する超音波計測方法。
【請求項１０】
請求項６における超音波計測方法において、
予め試験体を用いて計測するステップと、
前記計測するステップで取得した超音波波形毎に所定の範囲を指定して複数の参照波形を生成するステップを有する超音波計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた非破壊計測装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊計測技術の一つとして、超音波を用いた計測技術がある。超音波計測では、単一の圧電素子で構成される単一型センサ、あるいは、一次元又は二次元に配列された複数の圧電素子を有するアレイセンサを用いる。センサに内蔵された圧電素子に、駆動信号としてパルス電圧を送信し、圧電素子の振動を被検体の内部に超音波として伝搬させる。例えば被検体に欠陥が生じている場合には、欠陥からの反射波を各圧電素子で受信し、電圧データとして変換後、波形信号として、あるいは、波形信号を輝度変換して検査結果として表示又はデータ保存する。超音波計測技術の適用対象は拡大しており、鋼板やパイプラインのように長大な形状の被検体の欠陥検査や、鋳物や炭素繊維材のような新素材の厚さ計測や欠陥検査への適用などが望まれている。
【０００３】
従来技術として、特許文献１では、ある1つの超音波受信波形データに対して２つの異なる伝搬距離部分にゲートを掛け、ゲート部の波形信号を抽出してこれらの信号振幅もしくは信号積分値比を計算し、この信号比を正常な部分でのリファレンスデータと比較することで、欠陥の有無や空間的な分布を画像として提示している。また、特許文献２では、超音波の送受信により得られた波形と、参照波形レジスタに記憶された参照波形との間の相関波形を算出することにより、ＳＮ比を向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−８５３９２号公報
【特許文献２】特開平６−５８７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鋼板やパイプラインのように長大な形状の被検体や、鋳物や炭素繊維材のような被検体に対して、従来の超音波検査技術を適用するだけでは、被検体に生じた欠陥からの反射波を得たとしても、反射波が微弱でノイズに埋没する場合には、欠陥の有無を検知することが困難であるケースがある。例えば、前述の鋼板やパイプラインなどで遠方まで超音波（板波やガイド波）を送受信する場合には、超音波の音速が周波数に依存する分散性を有するため波形が伝搬距離に応じて変形する。他にも、鋳物などの高減衰材では、超音波の散乱現象のため高周波部分が低周波部分よりも早く減衰することにより波形が変形する。
【０００６】
上述の特許文献１では、十分な信号強度が得られていることが前提で、ノイズが強い場合には適用が困難であることが想定される。また、特許文献２では、単一の波形を参照波とするため、遠方まで伝搬した超音波の波形が、散乱や分散などの影響により近距離で反射した場合の波形と異なる場合には、十分なＳＮ比向上が期待できない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、得られる信号に対してノイズが強い場合でも、信号とノイズを識別できる超音波計測置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の参照波形を記憶する参照波形ＤＢと、前記参照波形を生成するときに用いたゲート情報を記憶するゲート情報メモリと、超音波センサで受信した受信波形の所定の範囲にゲートをかけるゲート処理部と、前記ゲート情報を用いて、前記受信波形にかけたゲート部分に相当する参照波形を選択する参照波形選択部と、前記受信波形のゲート部分と前記選択した参照波形で相関処理する相関処理部と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＳＮ比を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１の計測装置のブロック図。
【図２】実施例１の計測方法のフローチャート。
【図３】計測データの一例。
【図４】参照波形の一例。
【図５】ゲート情報メモリと参照波形ＤＢの一例。
【図６】実施例１の相関処理方法の説明図。
【図７】実施例１の相関処理結果の一例。
【図８】従来の相関処理結果の比較例。
【図９】実施例２の計測方法のブロック図。
【図１０】実施例２の計測方法のフローチャート。
【図１１】実施例３の計測方法のブロック図。
【図１２】実施例３の計測方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の概要は、試験体を用いて被計測体系と同じ計測体系で予め計測して取得した波形や、計測体系をモデル化して解析により予測した計測波形（これら波形を纏めて参照波形と呼ぶ。）を用いて、被検体中の反射位置に依存した参照波形を利用して、実測で得られた波形を処理する際に、距離毎にこの参照波形を用いて相関処理を施すことにより、高いＳＮ比で目的の信号を検出することが可能となるというものである。
【００１２】
以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明の内容は下記態様に限定されるものでないことは言うまでもない。
【実施例１】
【００１３】
以下、実施例１について図１〜８を用いて説明する。図１は計測装置のブロック図、図２は計測方法のフローチャート、図３は計測データの一例、図４は参照波形の一例、図５はゲート情報メモリと参照波形ＤＢの一例、図６は相関処理方法の説明図、図７は相関処理結果の一例、図８は従来の相関処理結果の比較例である。
【００１４】
図１を用いて本実施例の計測装置１の構成と役割を説明する。計測装置１は、計測部２、送受信部３、処理・制御部４（コンピュータ）、表示部５、入力部６、受信波形メモリ１７、ゲート情報メモリ１８、参照波形ＤＢ１９から構成される。
【００１５】
計測部２は、被検体１０と超音波センサ１１からなる。超音波センサ１１は、超音波を送信できる送信素子７と、超音波を受信するための受信素子８を有している。送信素子７と受信素子８は同一のものであっても良いし、複数備えていても良い。このとき、それぞれの素子はポリスチレン、ポリイミドなどの遅延材上に配置してもよい。水、油などの液体を遅延材として用いることもある。また、遅延材は被検体に対して傾いていても良い。
【００１６】
送受信部３は、一般的に送信素子にパルス電圧を印加し超音波を発振するための超音波送信部２７と、超音波を受信素子で受けて発生した電気信号を増幅やＡ／Ｄ変換などして波形データとして取得する超音波受信部２８で構成される。超音波送信部２７及び超音波受信部２８は、処理・制御部４（コンピュータ）により、送信パルス電圧の電圧、パルス幅、繰り返し周波数、増幅値、データ保存タイミングなどを制御することができる。
【００１７】
処理・制御部４（コンピュータ）は、送受信制御部１３、ゲート処理部Ａ１４、参照波形選択部１５、相関処理部１６からなる。外部に設けた記憶部には、超音波計測による波形データを格納する受信波形メモリ１７、超音波計測データにかけるゲート条件や参照波形ＤＢを構築する際に用いるゲート条件を格納するゲート情報メモリ１８、超音波計測データと相関処理する際に用いる複数の参照波形データを格納する参照波形ＤＢ１９がある。
【００１８】
送受信制御部１３は、前述のとおり、送信パルス電圧の電圧、パルス幅、繰り返し周波数、増幅値、サンプリング周波数、データ保存タイミングなどを制御する機能を有する。ゲート処理部Ａ１４は、ゲート情報メモリに格納されたゲート処理条件に基づき、特定の超音波計測データのサンプリング範囲における波形データを抽出する機能を有する。参照波形選択部１５は、ゲート情報メモリを参照し、超音波計測データにかけるゲート範囲に対応する１つの参照波形を、参照波形ＤＢ１９に格納された複数の参照波形から選択する機能を有する。相関処理部１６は、受信波形と選択した参照波形を対象として、相関処理する機能を有する。
【００１９】
入力部６は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの手段を用いて入力する一般的な機器から構成される。
【００２０】
表示部５は、超音波の送受信の制御や収録条件に必要な値の他、計測した生波形や処理した後の波形などを表示する機能を有する。
【００２１】
上記装置を用いた超音波計測方法について、図２〜図８を用いて説明する。
【００２２】
Ｓ０００で、超音波計測を開始する。
Ｓ００１で、送受信制御部１３と送受信部３により、超音波センサ１１から被検体内部へ超音波を送受信する。
Ｓ００２で、受信波形メモリ１７に受信波形を格納する。
【００２３】
Ｓ００３で、ゲート情報メモリ１８に従い、ゲート処理部Ａ１４により受信波形にゲートを掛け、後の相関処理ステップで利用するデータを抽出する。すなわち特定の超音波計測データのサンプリング範囲における波形データを抽出する。
Ｓ００４で、参照波形選択部１５により、Ｓ００３でゲートをかけた範囲に対応する参照波形を選択する。すなわち特定の超音波計測データのサンプリング範囲における抽出した波形データと対応する参照波形を抽出する。
Ｓ００５で、相関処理部１６により受信波形のゲート部分とＳ００４で選択した参照波形で相関処理を実施する。
【００２４】
Ｓ００６で、ゲート処理部Ａ１４により受信波形のゲートを移動する。
Ｓ００７で、受信波形にゲートを掛ける範囲が残っているかいないかを判定する。Ｓ００７で、ゲートを掛ける範囲が残っている場合、Ｓ００３〜Ｓ００６を繰り返す。ゲートを掛ける範囲が残っていない場合、Ｓ００８へ移行する。
Ｓ００８で、ゲート位置と相関処理した値を対応させて表示し、終了する。
【００２５】
超音波波形の一例を示しながら、上記ステップについて具体的に説明する。Ｓ００２で格納した受信波形は、サンプリング時間と被検体中を伝搬する音速を用いれば、例えば図３の計測データの一例のように波高値と路程のグラフとして可視化することができる。この時、ノイズが強く路程２０ｍｍと路程８０ｍｍに存在する信号は検出出来ていない。
【００２６】
Ｓ００３では、図３の信号のうち、相関処理を実施するデータ範囲を抽出（ξ（ｘ，Ｎ）＝｛ξｘ１，ξｘ２，・・・，ξｘＮ｝）する。ここで、ｘはゲート開始位置、Ｎはサンプル点数である。Ｓ００４では、図４に示すように、あらかじめ伝搬距離に応じて変化する波形を、解析や実測によりΦ１，Φ２，Φ３と求め、反射波形部分Φ’１，Φ’２，Φ’３を抽出し、図５に示すようにゲート情報メモリ１８や参照波形ＤＢ１９にΦ’１＝｛Ｉ１１，Ｉ１２，・・・，Ｉ１Ｎ ｝、Φ’２＝｛Ｉ２１，Ｉ２２，・・・，Ｉ２Ｎ｝、Φ’３＝｛Ｉ３１，Ｉ３２，・・・，Ｉ３Ｎ ｝など参照波形として格納した情報のうち、Ｓ００３で抽出したデータ範囲に近い参照波形を選択する。
【００２７】
Ｓ００５では、超音波計測データから抽出したデータξ（ｘ）と選択した参照波形で相関をとり、相関値（Ａｒｇ（ｘ））を求める。この時の相関処理としては、例えば位相相関処理であれば、
Ａｒｇ（ｘ）＝ｃｏｓ−１（（ξ・Φ’）／（｜ξ｜＊｜Φ’｜））＊１８０／π・・・（式１）
で、抽出した１つのゲート範囲での位相相関値を求めることが出来る（式中の「・」は内積を示す）。
【００２８】
Ｓ００６でゲート範囲をずらし、図６に示すように前述同様に計測波形上の全てのゲートにおいて、（式１）を用いて適宜対応する参照波形を選択しつつ相関処理をすることで、図７に示すように路程２０ｍｍと路程８０ｍｍに存在する信号を検出できるようになる。
【００２９】
以上のように、路程によって検出される超音波の波形が異なる検査体系の場合、もし従来のように単一の波形を用いて相関処理をしても、図８の従来の相関処理結果の比較例に示すように異なる路程に存在する信号を同時に検出することが出来ない。
【００３０】
本実施例では、超音波センサの設置位置から想定される欠陥位置の距離に応じて相関処理を行う際の参照波形を変えているため、従来の単一の参照波形を用いた処理に比べて、ノイズが強い場合でも、信号とノイズを識別できる超音波計測置及び方法を提供することができる。
【実施例２】
【００３１】
以下、実施例２について図９および図１０を用いて説明する。本実施例は、新たに解析部２０を設けた点が実施例１と異なる。
【００３２】
解析部２０は、伝搬解析部２１と解析結果ＤＢ２２からなる。伝搬解析部２１は、計測部の計測体系をＣＡＤデータやイメージデータなどを活用して解析モデルを生成した上で、例えば、有限要素法を用いて超音波の伝搬シミュレーションを実施する機能を有する。伝搬解析する際には、実計測体系と近い受信波形が得られるように、被検体の基本形状だけでなく、被検体を構成する材料データ（密度、スティフネス係数、粒径分布、金属結晶種）や反射源特性を伝搬解析モデルに反映し、より詳細に計測部に近い解析モデルを作成して伝搬解析することが望ましい。伝搬解析した結果は、解析結果ＤＢ２２に格納する。
【００３３】
処理・制御部４では、伝搬解析した結果得られた解析波形から参照波形を生成するため、格納した解析結果ＤＢ２２を参照し、同じくゲート情報メモリに格納されたゲート処理条件に基づき、ゲート処理部Ｂ２３によって解析波形に対してゲート処理し、参照波形を生成して参照波形ＤＢ１９に格納するとよい。
【００３４】
図１０に計測方法のフローチャートを示す。
【００３５】
Ｓ０−００１で伝搬シミュレーションを行う。Ｓ０−００２でゲート処理を行い、Ｓ０−００３で所定の範囲の波形データを抽出して参照波形を生成する。Ｓ０−００４でゲート情報と参照波形を参照波形ＤＢ１９に記憶する。その後のステップは実施例１と同様となる。
【００３６】
本実施例では、未知の検査対象であっても参照波形を作成して検査が可能となるため、より広範囲な検査対象に適用可能となる。
【実施例３】
【００３７】
以下、実施例３について図１０および図１１を用いて説明する。本実施例は、予め計測部同様の計測体系で人工的に異なる位置に欠陥２５を付与した複数の試験体（試験体Ａ、試験体Ｂ、試験体Ｃ・・・）を用い、参照波形計測用の予備計測部２６とした点が実施例２と異なる。
【００３８】
図１２に計測方法のフローチャートを示す。Ｓ１−００１で予備計測を行う。Ｓ１−００２でゲート処理を行い、Ｓ１−００３で所定の範囲の波形データを抽出して参照波形を生成する。Ｓ１−００４でゲート情報と参照波形を参照波形ＤＢ１９に記憶する。その後のステップは実施例１と同様となる。
【００３９】
本実施例では対象ごとにゲート情報メモリ１８や参照波形ＤＢ１９を作成するため、より高精度な検査結果が得られる。
【００４０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１  計測装置
２  計測部
３  送受信部
４  処理・制御部
５  表示部
６  入力部
７  送信素子
８  受信素子
１０  被検体
１１  超音波センサ
１３  送受信制御部
１４  ゲート処理部Ａ
１５  参照波形選択部
１６  相関処理部
１７  受信波形メモリ
１８  ゲート情報メモリ
１９  参照波形ＤＢ
２０  解析部
２１  伝搬解析部
２２  解析結果ＤＢ
２３  ゲート処理部Ｂ
２５  欠陥
２６  予備計測部
２７  超音波送信部
２８  超音波受信部
【図１】
2020024090.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020024090.tif 000011
【図１０】
2020024090.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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