(57)【要約】      （修正有）【課題】超音波伝搬媒体の非線形音響特性、さらには超音波トランスデューサの伝達特性や超音波伝搬特性をも考慮した超音波伝搬時間計測を行うことによって高精度に計測方法および装置を提供する。【解決手段】送信部１１０により送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生し、送信用超音波トランスデューサ１３０により超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）に変換して測定対象の超音波伝搬媒体１０に入力し、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）を受信用超音波トランスデューサ１４０により受信し増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、信号処理部１７０において、前記超音波伝搬媒体１０が有する非線形性を考慮した参照信号と被参照信号との間で相互相関処理をすることによって、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間として検出する。【選択図】図１
2012042449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部により送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生し、
該送信パルス信号を送信用超音波トランスデューサにより超音波パルス信号に変換して測定対象の超音波伝搬媒体に入力し、
該超音波伝搬媒体を介して伝搬される前記超音波パルス信号を受信用超音波トランスデューサにより受信して電気信号に変換し、
該受信用超音波トランスデューサにより電気信号に変換された超音波パルス信号を受信部により増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、
前記超音波伝搬媒体が有する非線形性を考慮した疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）と前記受信部により得られた受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関処理、または、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と、非線形性を考慮した疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）との相互相関処理により、前記超音波伝搬媒体を介して伝搬される超音波パルス信号の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間として呈示する超音波伝搬時間計測方法。
【請求項２】
送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生する送信パルス信号発生手段と、
該送信パルス信号を前記送信超音波パルス信号に変換する送信用超音波トランスデューサと、
前記送信超音波パルス信号を測定対象の超音波伝搬媒体を介して受信し、受信した超音波パルス信号を電気信号に変換する受信用超音波トランスデューサと、
前記受信用超音波トランスデューサにより電気信号に変換された超音波パルス信号を増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得る受信部と、
非線形性を考慮した疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）を形成する手段と、前記受信部により得られた受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）と前記疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）との間の相互相関処理手段，または、受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を非線形性を考慮した疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）に変換する手段と、該疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理を行う信号処理手段とを備え、更に、前記超音波伝搬媒体を介して伝搬される超音波パルス信号の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間τとして呈示する呈示手段とを備えることを特徴とする超音波伝搬時間計測装置。
【請求項３】
前記参照信号発生手段が、前記送信部で発生された送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と、他の手段によって発生させた特定の信号Ｖａｄｄ（ｔ）とを加算処理する加算処理手段と、該加算処理によって得られる加算信号を疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）とし、前記受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との間で相互相関処理をする相互相関処理手段を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項４】
前記加算処理手段において、前記送信部で発生された送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）に加算する信号Ｖａｄｄ（ｔ）が、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と同じ振幅で、ｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有したパルス信号であることを特徴とする請求項３に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項５】
前記加算処理手段において、前記送信部で発生された送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と加算する信号Ｖａｄｄ（ｔ）との間に位相差を設ける手段を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項６】
前記位相差を設ける手段が、前記相互相関処理手段から出力される相互相関値  Ｒ（τ）のピーク値が最大に、かつピークにおける半値幅が最小になる位相差を計算によって求める手段を有することを特徴とする請求項５に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項７】
前記信号処理手段は、前記受信超音波信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換し、その周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）を得るためのフーリエ変換手段と、その周波数特性の絶対値において、該周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）の高調波成分のピークレベルを基本波成分のピークレベルにほぼ等しくなるように増幅するピークレベル等化手段と、前記ピークレベル等化手段によって得られるピークレベル等化信号Ｖｒｅｃ’（ω）を逆フーリエ変換して時間特性信号である疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）を出力する逆フーリエ変換手段を有し、前記疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理をする相互相関処理手段を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項８】
前記高調波成分は、正極性の駆動信号を前記送信用超音波トランスデューサに印加したときの受信信号と、負極性の駆動信号を前記送信用超音波トランスデューサに印加したときの受信信号との和をとることにより抽出される信号であり、
前記基本波成分は、正極性の駆動信号を前記送信用超音波トランスデューサに印加したときの受信信号と、負極性の駆動信号を前記送信用超音波トランスデューサに印加したときの受信信号との差をとることにより抽出される信号であることを特徴とする請求項７記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項９】
前記フーリエ変換手段が、フーリエ変換の絶対値を計算する手段を有することを特徴とする請求項７記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１０】
前記送信パルス信号発生手段は、立ち上がり周波数ｆＬ、立ち下がり周波数ｆＨのチャープ波に窓関数Ｗ１（ｔ）を積算することにより、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生し、該窓関数Ｗ１（ｔ）は、チャープ波の立ち上がり時刻ｔＬでの電圧レベルが、周波数が（ｆＬ＋ｆＨ）／２となる時刻における電圧レベルのαＬ倍、チャープの立ち下がり時刻ｔＨでの電圧レベルが、周波数が（ｆＬ＋ｆＨ）／２となる時刻における電圧レベルのαＨ倍となる波形としたことを特徴とする請求項２に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１１】
前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）は周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号であり、これに加算する信号Ｖａｄｄ（ｔ）が、同じ振幅でｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数、即ちｎｆＬ〜ｎｆＨの周波数成分を持つチャープ波であることを特徴とする請求項４記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１２】
前記送信パルス信号発生手段が、δ関数に近似できる広帯域信号を第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）として発生させる手段と、周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号を第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として発生させる手段と、第１の送信パルス信号と第２の送信パルス信号を出力するタイミングを切り替えるスイッチ手段を有し、
前記信号処理手段が、第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）の駆動に対する受信信号Ｖｒｅｃδ（ｔ）をフーリエ変換し、その絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））を計算する手段と、これを一時的に記憶する手段と、第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）の駆動に対する受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換して得られる周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）を前記一時的に記憶していた絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））を読み出し、これで除算する除算手段と、該除算信号を逆フーリエ変換して得られる疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）を形成し、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関する機能を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１３】
前記送信パルス信号発生手段が、δ関数に近似できる広帯域信号を第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）として発生させる手段と、周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号を第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として発生させる手段と、第１の送信パルス信号と第２の送信パルス信号を出力するタイミングを切り替えるスイッチ手段を有し、前記信号処理手段が、第１の送信パルス信号の駆動に対する受信信号Ｖｒｅｃδ（ｔ）をフーリエ変換し、その絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））を計算する手段と、該計算結果について、送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）をフーリエ変換して得られる周波数特性Ｖｔｒａｎｓ（ω）と積算して、積算結果を逆フーリエ変換して得られる疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ‘（ｔ）と、受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との間で相互相関処理をする相互相関処理手段を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１４】
前記送信用超音波トランスデューサと前記受信用超音波トランスデューサとが測定対象の超音波伝搬媒体の異なる二端面に設けられ、
前記測定対象の超音波伝搬媒体の一方の端面から前記送信用超音波トランスデューサにより送信され、前記測定対象の超音波伝搬媒体を介して伝搬する超音波が前記測定対象の超音波伝搬媒体の他方の端面において前記受信用超音波トランスデューサにより受信されるまでの超音波伝搬時間を検出することを特徴とする請求項２に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１５】
前記送信用超音波トランスデューサと前記受信用超音波トランスデューサが測定対象の超音波伝搬媒体の一端面に設けられ、
前記測定対象の超音波伝搬媒体の一端面から前記送信用超音波トランスデューサにより送信され、前記測定対象の超音波伝搬媒体を介して伝搬される超音波が前記測定対象の超音波伝搬媒体の他端面において反射されて前記測定対象の超音波伝搬媒体の前記一端面において前記受信用超音波トランスデューサにより受信されるまでの超音波伝搬媒体の超音波伝搬時間を検出することを特徴とする請求項２に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１６】
電極が二つの領域に分割され、それぞれ送信用電極部を含む送信用超音波トランスデューサ部に送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を印加する端子と、受信用電極部を含む受信用超音波トランスデューサ部で伝搬超音波を受信し、電気信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を出力する端子とを有する超音波トランスデューサを備えることを特徴とする請求項１５に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１７】
前記超音波トランスデューサに於いて、送信時は、前記送信用超音波トランスデューサ部に送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を印加し、受信時は、前記送信用超音波トランスデューサ部と前記受信用超音波トランスデューサ部が並列接続となるようなスイッチ手段を有していることを特徴とする請求項１６に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【請求項１８】
前記送信用超音波トランスデューサ部、または前記受信用超音波トランスデューサ部のいずれか一方の超音波トランスデューサ部の出力端子と前記スイッチ手段までの経路に受信信号を減衰、または増幅する手段を有することを特徴とする請求項１７に記載の超音波伝搬時間計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波伝搬時間の高精度計測を行う超音波伝搬時間計測方法及び超音波伝搬時間計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波伝搬時間の高精度計測は、超音波距離計、超音波厚さ計、超音波流量計、材料の音速測定などの非破壊検査装置や探傷用や医療用の画像診断装置の高精度、高信頼性計測、イメージングに更なる改善が求められている。超音波距離計は超音波伝搬媒体の音速と超音波伝搬時間の積によって距離が、超音波厚さ計は材料の音速と超音波伝搬時間の積によって材料の厚みが、超音波流量計は伝搬距離を超音波伝搬時間で除することによって、超音波伝搬媒体の音速と流速の和および差から流速が求まり、管断面積との積から流量が決定される。また材料の寸法と材料中を超音波が伝搬する時間とからその材料の物性定数としての音速が求まる。いずれも、超音波伝搬時間の高精度化によって、距離、厚さ、流量、音速などが高精度に表示されることになり、探傷装置や医療診断といった画像診断装置においても、画像分解能を向上させ、診断精度の向上を実現させることが求められている。
【０００３】
この超音波伝搬時間の高精度計測に対し、これまで種々の方法が考案されている。それらのうち、近年コンピュータの演算処理の高速化に伴って注目を集めているのが相互相関法を用いた超音波伝搬時間の高精度計測技術であり、更にはパルス圧縮技術である。
【０００４】
これに関連した技術として、本件発明者等は、気象要因によって変動する変動表面と路面との変動高さを、簡易な構成で容易且つ正確に計測することができる路面変動高さ計測装置および路面変動高さ計測方法を提案している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
すなわち、特許文献１には、路面変動高さ計測において、従来課題とされていた、１〜２ｃｍの路面高さ変動計測を可能とする技術を提供しようとするもので、課題解決方法として気象要因によって変動する変動表面と路面との変動高さを計算するに際して、超音波送信素子からチャープ波を変動表面に出力するとともに、このチャープ波の反射波を超音波受信素子から入力し、同チャープ波の基準波形データと反射波の入力波形データとの相互相関処理を行って相互相関値を演算するとともに、最大相互相関値が検出されるまでの時間差に基づいて変動高さを計算することにより、変動高さが１〜２センチ程度であっても、精度良く路面変動高さを計測する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１２５５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
超音波伝搬媒質は一般に非線形効果を含むが、線形効果に比べ１０〜２０ｄＢ小さいので、それほど高精度の計測が要求されていない場合は無視しても問題なかった。しかしながら、近年のマイクロ、ナノ領域の諸技術の発展に伴い、更なる高精度計測が必要になってきた。例えば、ナノ表面加工技術やナノインプリント技術の進展に伴って厚さ計測精度の更なる高分解能化が求められている。また、薬液等の微量流量制御分野では、細管を流れる粘性液体の高精度流量制御が必要になってきている。また、超音波を使った細胞診断分野においても、そのサイズや音速などの微細情報が必要になり、高分解能超音波伝搬時間高精度計測が必要になってきている。さらには、医療分野においても癌組織の成長に伴う栄養血管に流れる血流診断など、これまで以上の高分解能超音波伝搬時間高精度計測が必要になってきている。さらに、これらの超音波計測では、高周波化が高分解能計測に直接つながるという考え方に基づいて比較的高周波の超音波が用いられ、粘性液体や固体材料を対象とする場合が多く、非線形効果が現れやすい状況での計測となる場合が多い。
【０００８】
しかし、従来は、その配慮がされておらず、受信信号に対する参照波は駆動信号そのものであった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、従来配慮されていなかった超音波伝搬媒体の非線形音響特性、さらには超音波トランスデューサの伝達特性や超音波伝搬特性をも考慮した超音波伝搬時間計測を行うことによって、超音波伝搬時間を高精度に計測できるようにした超音波伝搬時間計測方法及び超音波伝搬時間計測装置を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下において図面を参照して説明される実施の形態から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一般に、比較的高周波の超音波を用いる場合や、粘性液体や固体材料を対象とする場合など、非線形効果が現れやすい状況下での計測では、非線形性効果を考慮することによって、より高精度の高分解能超音波伝搬時間計測が可能になると考えられている。また、相互相関処理をする場合の参照波は受信信号に含まれる要素、例えば、超音波トランスデューサや超音波伝搬経路に関する情報を特性として含んでいたほうが、相互相関値が大きくなり、超音波伝搬時間の計測精度を高めることができる。あるいは、受信信号に含まれる超音波トランスデューサの伝達関数と超音波伝搬に伴って発生する高調波成分を含む合成信号で受信信号を除し、この除算信号と駆動信号との相互相関を計算することにより、同等の効果が得られる。高精度に超音波伝搬時間を計測するには、上記の様に相互相関値が大きくなる必要とともに相互相関値が最大になるピーク位置が高精度に超音波伝搬時間τをあらわしていることが必要である。相互相関処理によって高精度に超音波伝搬時間τが現れるには、相互相関処理の原理を考慮すると、相互相関処理をする一方の信号に超音波伝搬時間τ情報があり、他方にτ情報が無いということである。
【００１２】
そこで、本発明に係る超音波伝搬時間計測方法において、送信部により送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生し、該送信パルス信号を送信用超音波トランスデューサにより超音波パルス信号に変換して測定対象の超音波伝搬媒体に入力し、該超音波伝搬媒体を介して伝搬される前記超音波パルス信号を受信用超音波トランスデューサにより受信して電気信号に変換し、該受信用超音波トランスデューサにより電気信号に変換された超音波パルス信号を受信部により増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、前記超音波伝搬媒体が有する非線形性を考慮した疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）と前記受信部により得られた受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関処理、または、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と、非線形性を考慮した疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）との相互相関処理により、前記超音波伝搬媒体を介して伝搬される超音波パルス信号の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間として呈示することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生する送信パルス信号発生手段と、該送信パルス信号を前記送信超音波パルス信号に変換する送信用超音波トランスデューサと、前記送信超音波パルス信号を測定対象の超音波伝搬媒体を介して受信し、受信した超音波パルス信号を電気信号に変換する受信用超音波トランスデューサと、前記受信用超音波トランスデューサにより電気信号に変換された超音波パルス信号を増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得る受信部と、非線形性を考慮した疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）を形成する手段と、前記受信部により得られた受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）と前記疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）との間の相互相関処理手段，または、受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を非線形性を考慮した疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）に変換する手段と、該疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理を行う信号処理手段とを備え、更に、前記超音波伝搬媒体を介して伝搬される超音波パルス信号の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間τとして呈示する呈示手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記参照信号発生手段が、前記送信部で発生された送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と、他の手段によって発生させた特定の信号Ｖａｄｄ（ｔ）とを加算処理する加算処理手段と、該加算処理によって得られる加算信号を疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）とし、前記受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との間で相互相関処理をする相互相関処理手段を有することを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置では、前記加算処理手段において、前記送信部で発生された送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）に加算する信号Ｖａｄｄ（ｔ）が、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と同じ振幅で、ｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有したパルス信号とすることを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置では、前記加算処理手段において、前記送信部で発生された送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と加算する信号Ｖａｄｄ（ｔ）との間に位相差を設ける手段を有することを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記位相差を設ける手段が、前記相互相関処理手段から出力される相互相関値Ｒｘｙ（τ）のピーク値が最大に、かつピークにおける半値幅Δｔが最小になる位相差を計算によって求める手段を有することができる。
【００１８】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置において、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を参照信号とし、前記信号処理手段は、前記受信超音波信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換し、その周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）を得るためのフーリエ変換手段と、その周波数特性の絶対値において、該周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）の高調波成分のピークレベルを基本波成分のピークレベルにほぼ等しくなるように増幅するピークレベル等化手段と、前記ピークレベル等化手段によって得られるピークレベル等化信号Ｖｒｅｃ’（ω）を逆フーリエ変換して時間軸信号である疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）を出力する逆フーリエ変換手段を有し、前記疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理をする相互相関処理手段を有することを特徴とする。
【００１９】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置において、前記高調波成分は、正極性の駆動信号を前記送信用超音波トランスデューサに印加したときの受信信号と、負極性の駆動信号を前記送信用超音波トランスデューサに印加したときの受信信号との和をとることにより抽出される信号であり、前記基本波成分は、正極性の駆動信号を前記送信用超音波トランスデューサに印加したときの受信信号と、負極性の駆動信号を前記送信用超音波トランスデューサに印加したときの受信信号との差をとることにより抽出される信号であることを特徴とする。
【００２０】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記フーリエ変換手段が、フーリエ変換の絶対値を計算する手段を有することを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置において、前記送信パルス信号発生手段は、立ち上がり周波数ｆＬ、立ち下がり周波数ｆＨのチャープ波に窓関数Ｗ１（ｔ）を積算することにより、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生し、該窓関数Ｗ１（ｔ）は、チャープ波の立ち上がり時刻ｔＬでの電圧レベルが、周波数が（ｆＬ＋ｆＨ）／２となる時刻における電圧レベルのαＬ倍、チャープの立ち下がり時刻ｔＨでの電圧レベルが、周波数が（ｆＬ＋ｆＨ）／２となる時刻における電圧レベルのαＨ倍となる波形としたことを特徴とする。
【００２２】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）は周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号であり、これに加算する信号Ｖａｄｄ（ｔ）が、同じ振幅でｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数、即ちｎｆＬ〜ｎｆＨの周波数成分を持つチャープ波とすることを特徴とする。
【００２３】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記送信パルス信号発生手段が、δ関数に近似できる広帯域信号を第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）として発生させる手段と、周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号を第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として発生させる手段と、第１の送信パルス信号と第２の送信パルス信号を出力するタイミングを切り替えるスイッチ手段を有し、前記信号処理手段が、第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）の駆動に対する受信信号Ｖｒｅｃδ（ｔ-τ）をフーリエ変換し、その絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））を形成する手段と、これを一時的に記憶する手段と、第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）の駆動に対する受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換して得られる周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）を前記一時的に記憶していた絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））を読み出し、これで除算する除算手段と、該除算信号を逆フーリエ変換して得られる疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）を形成し、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関する機能を有することを特徴とする。
【００２４】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記送信パルス信号発生手段が、δ関数に近似できる広帯域信号を第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）として発生させる手段と、周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号を第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として発生させる手段と、第１の送信パルス信号と第２の送信パルス信号を出力するタイミングを切り替えるスイッチ手段を有し、前記信号処理手段が、第１の送信パルス信号の駆動に対する受信信号Ｖｒｅｃδ（ｔ-τ）をフーリエ変換し、その絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））を計算する手段と、該計算結果を送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）をフーリエ変換して得られる周波数特性Ｖｔｒａｎｓ（ω）に積算して、積算結果を逆フーリエ変換して得られる疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）と、受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との間で相互相関処理をする相互相関処理手段を有することを特徴とする。
【００２５】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記送信用超音波トランスデューサと前記受信用超音波トランスデューサとが測定対象の超音波伝搬媒体の異なる二端面に設けられ、前記測定対象の超音波伝搬媒体の一方の端面から前記送信用超音波トランスデューサにより送信され、前記測定対象の超音波伝搬媒体を介して伝搬される超音波が前記測定対象の超音波伝搬媒体の他方の端面において前記受信用超音波トランスデューサにより受信されるまでの超音波伝搬時間を検出することを特徴とする。
【００２６】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記送信用超音波トランスデューサと前記受信用超音波トランスデューサが測定対象の超音波伝搬媒体の一端面に設けられ、前記測定対象の超音波伝搬媒体の一端面から前記送信用超音波トランスデューサにより送信され、前記測定対象の超音波伝搬媒体を介して伝搬される超音波が前記測定対象の超音波伝搬媒体の他端面において反射されて前記測定対象の超音波伝搬媒体の前記一端面において前記受信用超音波トランスデューサにより受信されるまでの超音波伝搬媒体の超音波伝搬時間を検出することを特徴とする。
【００２７】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、電極が二つの領域に分割され、それぞれ送信用電極部を含む送信用超音波トランスデューサ部に送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を印加する端子と、受信用電極部を含む受信用超音波トランスデューサ部で伝搬超音波を受信し、電気信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を出力する端子とを有する超音波トランスデューサを備えることを特徴とする。
【００２８】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置において、前記超音波トランスデューサに於いて、送信時は、前記送信用超音波トランスデューサ部に送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を印加し、受信時は、前記送信用超音波トランスデューサ部と前記受信用超音波トランスデューサ部が並列接続となるようなスイッチ手段を有することを特徴とする。
【００２９】
更に、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置は、前記送信用超音波トランスデューサ部、または前記受信用超音波トランスデューサ部のいずれか一方の超音波トランスデューサ部の出力端子と前記スイッチ手段までの経路に受信信号を減衰、または増幅する手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、送信部により送信パルス信号を発生し、前記送信パルス信号を送信用超音波トランスデューサにより超音波パルス信号に変換して測定対象の超音波伝搬媒体に入力し、前記超音波伝搬媒体を介して伝搬される前記超音波パルス信号を受信用超音波トランスデューサにより受信して電気信号に変換し、前記受信用超音波トランスデューサにより電気信号に変換された超音波パルス信号を受信部により増幅して受信パルス信号を得て、前記超音波伝搬媒体が有する非線形性を考慮した疑似送信パルス信号と、前記受信部により得られた受信パルス信号との相互相関処理、または、送信パルス信号と非線形性を考慮した疑似受信パルス信号との相互相関処理をすることにより、前記超音波伝搬媒体を介して伝搬される超音波パルス信号の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間として検出するので、従来配慮されていなかった超音波伝搬媒体の非線形音響特性、さらには超音波トランスデューサの伝達特性や超音波伝搬特性をも考慮した超音波伝搬時間計測を行い、超音波伝搬時間を高精度に計測することができる。
【００３１】
本発明では、超音波伝搬時間を高精度に計測して、その結果を、例えば、板厚等の寸法、欠陥やターゲットの位置、変位、流体の流速、材料の物性値としての音速、又は、生体臓器の位置や状態情報、構造材料の欠陥の位置や形状などの超音波画像診断に用いられる情報のうちのいずれか、又はいくつかを組み合わせた物理情報又は物性情報の精密測定、または材料の物性計測に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る超音波伝搬時間計測装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】前記超音波伝搬時間計測装置に採用されるパルス圧縮法を説明するための波形図である。
【図３】前記超音波伝搬時間計測装置に採用される他のパルス圧縮法を説明するための波形図である。
【図４】本発明を適用した超音波伝搬時間計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】前記超音波伝搬時間計測装置の信号処理部において行われる処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用した超音波伝搬時間計測装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明を適用した超音波伝搬時間計測装置に用いられる超音波トランスデューサの構成例を示す要部断面図である。
【図８】本発明を適用した超音波伝搬時間計測装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図９】前記超音波伝搬時間計測装置の信号処理部において行われる処理の手順を示すフローチャートである。
【図１０】前記超音波伝搬時間計測装置において、信号処理部に入力される受信パルス信号の周波数特性をモデル的に表示した図である。
【図１１】前記超音波伝搬時間計測装置において、周波数ｆＬからｆＨまで周波数を変化させたチャープ信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）に、同じ振幅で、周波数が２ｆＬから２ｆＨまで周波数を変化させた２倍のチャープ信号を加算した加算信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）を示す図である。
【図１２】前記超音波伝搬時間計測装置において、受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）と加算処理信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）とを相互相関処理することにより得られるパルス圧縮信号を示す図である。
【図１３】前記超音波伝搬時間計測装置の信号処理部において行われる処理の手順を示すフローチャートである。
【図１４】本発明を適用した超音波伝搬時間計測装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１５】本発明を適用した超音波伝搬時間計測装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１６】本発明を適用した超音波伝搬時間計測装置の他の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
本発明を実施するための形態の具体的な説明に先立って、本発明に係る超音波伝搬時間計測装置１００の原理について図１を参照して概略を説明する。
【００３５】
この超音波伝搬時間計測装置１００は、送信部１１０により発生される送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）に応じて駆動される送信用超音波トランスデューサ１３０から超音波伝搬媒体１０を介して超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）を送信し、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬されてくる前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を受信用超音波トランスデューサ１４０により受信して受信部１６０により受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、信号処理部１７０において、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と前記受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関処理を行うことにより、前記超音波伝搬媒体１０を伝搬する超音波の伝搬時間を計測するものである。
【００３６】
前記送信部１１０は、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を出力するパルス信号発生器１１１と、このパルス信号発生器１１１から出力される送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を増幅して広帯域で高電圧の駆動信号Ｄ（ｔ）を出力する駆動回路１１２とを備える。
【００３７】
この送信部１１０は、前記パルス信号発生器１１１が出力した送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記信号処理部１７０に供給するとともに、この送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を増幅した駆動信号Ｄ（ｔ）を前記駆動回路１１２から同軸ケーブル１２０を介して前記送信用超音波トランスデューサ１３０に供給して、前記駆動信号Ｄ（ｔ）により前記送信用超音波トランスデューサ１３０を駆動する。
【００３８】
前記送信用超音波トランスデューサ１３０は、前記駆動信号Ｄ（ｔ）で駆動されることにより、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）に変換して前記超音波伝搬媒体１０を介して送信する。
【００３９】
前記受信用超音波トランスデューサ１４０は、前記送信用超音波トランスデューサ１３０から送信され前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬されてくる前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を受信し、その受信出力を同軸ケーブル１５０を介して受信部１６０に供給する。
【００４０】
ここで、この超音波伝搬時間計測装置１００において、前記送信信号発生部１１０のパルス信号発生器１１１より発生される送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）は、周波数軸上でＶｔｒａｎｓ（ω）にて示される周波数特性を有し、駆動回路１１２から出力される駆動信号Ｄ（ｔ）は周波数軸上で、Ｄ（ω）にて示される周波数特性を有するものとする。
【００４１】
また、前記送信部１１０から前記駆動信号Ｄ（ｔ）を送信用超音波トランスデューサ１３０に伝達する同軸ケーブル１２０は、伝達特性Ｌｔ（ω）で示される伝達関数を有するものとする。
【００４２】
また、前記超音波伝搬媒体１０を介して測定用の超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）を送信する送信用超音波トランスデューサ１３０は、Ｈｔ（ω）で示される伝達関数を有するものとする。
【００４３】
また、前記超音波伝搬媒体１０を介して測定用の超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を受信する受信用超音波トランスデューサ１４０は、Ｈｒ（ω）で示される伝達関数を有するものとする。
【００４４】
さらに、前記受信用超音波トランスデューサ４の出力を受信部１６０に伝達する同軸ケーブル１５０は伝達特性Ｌｒ（ω）で示される伝達関数を有するものとする。
【００４５】
そして、測定対象の超音波伝搬媒体１０は、Ｆ（ω）で示される伝達関数を有するものとする。
【００４６】
前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）を、以下便宜的にＴ（ｔ）と表し、その周波数特性をＴ（ω）とし、また同様にして超音波パルス信号ＳＸ（ｔ−τ）を、以下便宜的にＲ（ｔ−τ）と表し、その周波数特性をＲ（ω）と表す。
【００４７】
なお、周波数特性Ｔ（ω）およびＲ（ω）は、それぞれ時間特性Ｔ（ｔ）およびＲ（ｔ−τ）をフーリエ変換（ＦＦＴ処理）した関係にあるものとする。
【００４８】
ここで、超音波伝搬時間を計測する対象は、超音波伝搬媒体の超音波伝搬方向の長さ、材料の音速、伝搬媒体の流速、超音波伝搬媒体の一部にある欠陥等の位置検出、生体組織に存在する異常組織診断や寸法検出、血球等の生体細胞の内部構造観察のいずれでも良い。
【００４９】
これらの検出、診断、観察において高精度の超音波伝搬時間計測が、高精度、あるいは高分解能、高信頼性の検出、診断、観察の基礎になることは言うまでもない。超音波伝搬時間計測は、送信用超音波トランスデューサ３から送信超音波パルス信号ＳＴＸ（ｔ）が、超音波伝搬媒体１０に送信された瞬間の時刻から受信用超音波トランスデューサ４によって伝搬してきた受信超音波パルス信号ＳＲＸ（ｔ−τ）を受信した時刻までの時間で定義される。
【００５０】
この場合、受信超音波パルス信号ＳＲＸ（ｔ）のスペクトル特性Ｒ（ω）は、
Ｒ（ω）＝Ｔ（ω）×Ｆ（ω）×Ｈｒ（ω）              （１）
で表される。ここで、Ｔ（ω）は送信超音波パルス信号ＳＴＸ（ｔ）の周波数特性、Ｆ（ω）は超音波伝搬媒体１０の伝搬特性であり、超音波減衰やサイドローブ特性あるいは音響的な非線形特性を含んだ伝達特性を表す。Ｈｒ（ω）は受信用超音波トランスデューサ１４０の伝達関数である。さらに、送信超音波パルス信号ＳＴＸ（ｔ）の周波数特性Ｔ（ω）は、
Ｔ（ω）＝Ｄ（ω）×Ｌｔ（ω）×Ｈｔ（ω）            （２）
で表される。ここで、Ｈｔ（ω）は送信用超音波トランスデューサ１３０の伝達関数、Ｄ（ω）は駆動信号Ｄ（ｔ）の周数特性であり、Ｌｔ（ω）は前記駆動信号Ｄ（ｔ）を送信用超音波トランスデューサ１３０に伝達する同軸ケーブル１５０の伝達関数である。
【００５１】
前記受信超音波パルス信号ＳＲＸ（ｔ−τ）を受信用超音波トランスデューサ１４０が受信することにより前記受信部１６０に得られる受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）は、前記受信用超音波トランスデューサ１４０により受信した前記受信超音波パルス信号ＳＲＸ（ｔ−τ）のスペクトル特性Ｒ（ω）を
Ｖｒｅｃ（ω）＝Ｒ（ω）×Ｌｒ（ω）×Ａｒ（ω）      （３）
なる式に基づいて変換したスペクトル特性Ｖｒｅｃ（ω）を有するものとなる。
【００５２】
前記受信部１６０に得られる受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）は、信号処理部７に供給されて、前記駆動信号Ｄ（ｔ）と以下の関係のある参照パルス信号との間で相互相関処理が行われる。
【００５３】
前記（３）式におけるＡｒ（ω）は、受信部１６０の増幅度の帯域特性であり、高調波成分を含む周波数帯域で一定の増幅度を持っていれば定数として扱うことができる。
【００５４】
Ｄ（ω）＝Ｖｔｒａｎｓ（ω）×Ａｔ（ω）                （４）
ここで、Ａｔ（ω）は、前記送信部１１０に備えられた駆動回路１１２の増幅度の帯域特性であり、パルス信号発生器１１１より発生される送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）の周波数特性Ｖｔｒａｎｓ（ω）の帯域内で一定の増幅度を持っていれば定数として扱うことができる。
【００５５】
また、同軸ケーブル１２０，１５０の伝達関数Ｌｔ（ω），Ｌｒ（ω）を超音波トランスデューサ３，４の伝達関数に含め、それらを新たに超音波トランスデューサの伝達関数Ｈｔ（ω）、Ｈｒ（ω）と定義しなおすと、
Ｖｒｅｃ（ω）＝Ｒ（ω）×Ｌｒ（ω）×Ａｒ（ω）
＝Ｔ（ω）×Ｆ（ω）×Ｈｒ（ω）×Ａｒ（ω）
＝Ｈｔ（ω）×Ｄ（ω）×Ｆ（ω）×Ｈｒ（ω）×Ａｒ（ω）    （５）
となり、また、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）の周波数特性Ｖｔｒａｎｓ（ω）
Ｖｔｒａｎｓ（ω）＝Ｄ（ω）／Ａｔ                        （６）
となる。ここでＡｔ、Ａｒは定数である。
【００５６】
そして、相互相関関数Ｒｘｙ（ｊ）は、信号ｘ（ｔ），ｙ（ｔ）の離散データをｘ（ｉ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１），ｙ（ｉ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１）とすると、次の（７）式にて定義される。
【００５７】
【数１】
2012042449.tif 000003
【００５８】
ここで、ｘ（ｉ）＝Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）、ｙ（ｉ＋ｊ）＝Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）でＲｘｙ（ｊ）＝Ｒｘｙ（τ）であり、Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）、Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）はＶｔｒａｎｓ（ω）、Ｖｒｅｃ（ω）を逆フーリエ変換したものである。
【００５９】
Ｒｘｙ（τ）はＶｔｒａｎｓ（ｔ）とＶｒｅｃ（ｔ−τ）との類似度に従って位相τにおける値が１に近づいてゆき、同時に位相τにおけるメインピークの半値幅Δｔが狭くなり、位相τの値の精度が高まることを意味する。
【００６０】
超音波伝搬時間は前記位相τに相当するので、相互相関に関する前記説明より分かるように、超音波伝搬時間の測定精度を上げるということは、相互相関関数Ｒ（ｔ）のｔ＝τにおける値が１に近く、ｔ＝τにおけるメインピークの半値幅が小さい値を示すことであるということが分かる。また、Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）とＶｒｅｃ（ｔ−τ）との類似度が高いほど、τの計測精度が向上したことを意味する。Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）とＶｔｒａｎｓ（ｔ）の波形の類似度はＶｒｅｃ（ω）とＶｔｒａｎｓ（ω）の類似度と考えてもよい。
【００６１】
すなわち、この超音波伝搬時間計測装置１００では、送信部１１０により送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生し、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を増幅した信号Ｄ（ｔ）を送信用超音波トランスデューサ１３０に印加することにより超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）に変換して測定対象の超音波伝搬媒体１０に入力し、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を受信用超音波トランスデューサ１４０により受信して電気信号に変換し、前記受信用超音波トランスデューサ１４０により電気信号に変換された超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を受信部１６０により増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、信号処理部１７０において、前記超音波伝搬媒体１０が有する非線形性を考慮した疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）又は疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）を形成し、それぞれ、Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）、Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関処理により、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間として検出することができる。
【００６２】
ここで、パルス圧縮の原理を説明する。
【００６３】
チャープ波ｐ（ｔ）は振幅Ｐ０として、次の式で表せる。
【００６４】
【数２】
2012042449.tif 000004
【００６５】
ここで、ωｓ（＝２πｆｓ）は初期角周波数、Ｔは掃引時間、μは角周波数掃引率である。また、ｆｅを最終周波数、２πΔｆを掃引角周波数とすると、μ＝Δω／Ｔ＝２π（ｆｅ−ｆｓ）／Ｔの関係にある。チャープ波のパルス圧縮比はＴΔｆで与えられ、Δｆを大きくするほどパルス幅は狭くなり、距離分解能は高まる。
【００６６】
以上がパルス圧縮の原理である。
【００６７】
なお、パルス圧縮の効果があるのは、周波数変調信号であるチャープ波の他、位相変調信号、即ち符号化系列信号であるバーカー系列信号、相補系列信号、Ｍ系列信号などでも同様の効果があるが、チャープ波を用いた場合が最もＳＮが良く好ましい。
【００６８】
図２の（Ａ）に示すように、立ち上がり周波数ｆＬ、停止周波数ｆＨでバースト長がΔＴのチャープ波駆動信号Ｄ（ｔ）を送信用超音波トランスデューサ１３０に印加した場合に、図２の（Ｂ）に示すような受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）が得られる。
【００６９】
前記チャープ波駆動信号Ｄ（ｔ）は、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）をＡｔ倍に増幅した信号の関係になっている。
【００７０】
前記受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）は、その周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）を用いて示すと、次のような関係がある。なお、Ｈｔｒ（ω）は、Ｈｔｒ（ω）＝Ｈｔ（ω）・Ｈｒ（ω）の関係を表し、Ｆｎｌ（ω）は、図２に示した超音波伝搬媒体の伝搬特性Ｆ（ω）内の非線形成分を示している。すなわち、
Ｖｒｅｃ（ω）＝Ｖｔｒａｎｓ（ω）×Ａｔ×Ｈｔｒ（ω）×Ｆｎｌ（ω）×Ａｒ
＝Ｖｔｒａｎｓ（ω）×Ｖｒｅｃδ（ω）×Ｃ              （８）
ここで、
Ｖｒｅｃδ（ω）＝Ｈｔｒ（ω）×Ｆｎｌ（ω）×Ｃ  Ｃ：定数      （９）
である。すなわち、前記受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）の周波数特性は、前記チャープ波駆動信号Ｄ（ｔ）に
Ｈｔｒ（ω）×Ｆｎｌ（ω）×Ｃ’
を積算したものに等しい。Ｃ’は定数である。
【００７１】
以上から、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ω）にＶｒｅｃδ（ω）（Ｖｒｅｃδ（ω）＝Ｈｔｒ（ω）×Ｆｎｌ（ω））の絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））を積算した信号Ｖｔｒａｎｓ’（ω）を形成し、これを逆フーリエ変換して得た時間軸信号である疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）と受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関を計算すれば最も相関値が高くなるといえる。以上が第一の方法である。
【００７２】
あるいは、以下の方法でも同等の効果が得られる。
【００７３】
受信信号Ｖｒｅｃ（ω）をＶｒｅｃδ（ω）の絶対値で除算した結果を逆フーリエ変換して、時間軸信号である疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）に変換し、その時間軸信号と、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との相互相関処理することによっても同等の効果が得られることは上式（８）の関係から明らかある。尚、ここでＶｒｅｃδ（ω）の絶対値を用いるのは前記除算結果に超音波伝搬時間τの情報を残すためであり、これによって物理的な考え方に矛盾をもたらすものではない。絶対値をとるのは、除算結果にτに関する情報を残すことが目的であり、この目的が達成されるのであれば、他の方法であっても構わない。以上が第二の方法である。
【００７４】
他の方法として、例えば、受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換して、周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）を算出し、この信号Ｖｒｅｃ（ω）から絶対値信号、即ち位相情報を含まない周波数特性Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ（ω））を算出し、この絶対値周波数特性において、該周波数特性における高調波成分の周波数範囲のレベルを基本波成分のピークレベルにほぼ等しくなるように増幅し、新たな受信信号Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ’（ω））を算出し、この信号Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ’（ω））を逆フーリエ変換して、新たに時間軸信号である疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）を得る。この疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と、もとの送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理をする方法でも良い。以上が第三の方法である。
【００７５】
更には以下に記載する、より簡便な方法もある。
【００７６】
送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）の周波数成分を全て、考慮する次数倍した第２の送信信号Ｖｔｒａｎｓ２（ｔ）を形成し、もとの送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と第２の送信信号Ｖｔｒａｎｓ２（ｔ）とを加算したあらたな疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）を形成し、もとの送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）に対する受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との間で相互相関処理する方法も、簡便で好ましい方法と言える。例えば、もとの送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）がｆＬからｆＨの周波数掃引されるチャープ波の場合、Ｖｔｒａｎｓ２（ｔ）として２ｆＬから２ｆＨで周波数掃引されるチャープ波を形成することになる。また３次の高調波までを計算する場合は、更に３ｆＬから３ｆＨで周波数掃引される第三のチャープ波信号を加算することになる。この様にして得られる広帯域送信パルス信号は相互相関処理に用いるだけであり、送信用超音波トランスデューサに印加する訳ではないので、その次数は適宜決めることが出来るし、より広帯域の送信用超音波トランスデューサを必要とするわけではない。ただし、この方法には超音波トランスデューサが有する伝達関数の効果が配慮されず、超音波トランスデューサの周波数特性に、不要振動が混在する場合には必ずしも好ましい方法とはいえない。以上が第四の方法である。
【００７７】
尚、（８）式のＶｒｅｃδ（ω）にτに関する情報が残っていると、Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）とならずに
Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ−τ’）、τ≠τ’
となり、受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関処理をしても、τの正しい値が得られない。そこで、Ｖｒｅｃδ（ω）の絶対値を計算してτに関する情報を持たない新たなＶｒｅｃδ’（ω）を計算し、これによる前記第一の方法におけるＶｔｒａｎｓ（ω）への積算、あるいは前記第二の方法におけるＶｒｅｃ（ω）を除算することに用いる。この操作によって、τに関する情報を含まない疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）が得られることになり、受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関処理によって正確なτの値が得られることになる。
【００７８】
また、受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換して得られるＶｒｅｃ（ω）の絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ（ω））は位相情報を持たないので、この絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ（ω））において、高調波成分のピークレベルが基本波成分に等しくなるような演算処理を行い、その結果得られるＶｒｅｃ’（ω）を逆フーリエ変換して得られる疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理することによって、更に相関値が改善される。
【００７９】
［第１の実施の形態］
この実施の形態は前述した第四の方法に対応している。図４に示す超音波伝搬時間計測装置２００は、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生する送信部２１０と、前記送信部２１０からの送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）に変換する送信用超音波トランスデューサ２３０と、前記送信用超音波トランスデューサ２３０により変換された超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）を測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して受信し、受信した超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換する受信用超音波トランスデューサ２４０と、前記受信用超音波トランスデューサ２４０により電気信号に変換された超音波パルス信号を増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得る受信部２６０と、前記超音波伝搬媒体１０が有する非線形性を考慮した参照信号と前記受信部２６０により得られた受信パルス信号との相互相関処理により、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）の送受信間の時間間隔τを超音波伝搬時間として検出する信号処理部２７０とを備える。
【００８０】
この超音波伝搬時間計測装置２００は、所謂透過法で超音波伝搬時間を計測するものであって、前記送信用超音波トランスデューサ２３０と前記受信用超音波トランスデューサ２４０が測定対象の超音波伝搬媒体１０の異なる二端面１０Ａ、１０Ｂに設けられ、前記測定対象の超音波伝搬媒体１０の一方の端面１０Ａから前記送信用超音波トランスデューサ２３０により送信され、前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）が前記測定対象の超音波伝搬媒体１０の他方の端面１０Ｂにおいて前記受信用超音波トランスデューサ２４０により受信されるまでの超音波伝搬時間を検出する。
【００８１】
この超音波伝搬時間計測装置２００において、前記送信部２１０は、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号を発生するパルス信号発生器２１１と、前記パルス信号発生器２１１により送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として発生された周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号を増幅して得られる駆動信号Ｄ（ｔ）により前記送信用超音波トランスデューサを駆動する駆動回路２１２からなる。
【００８２】
この送信部２１０は、前記パルス信号発生器２１１が出力した送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記信号処理部２７０に供給するとともに、この送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を増幅した駆動信号Ｄ（ｔ）を前記駆動回路２１２から前記送信用超音波トランスデューサ２３０に供給して、前記駆動信号Ｄ（ｔ）により前記送信用超音波トランスデューサ２３０を駆動する。
【００８３】
前記送信用超音波トランスデューサ２３０は、前記駆動信号Ｄ（ｔ）で駆動されることにより、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）に変換して前記超音波伝搬媒体１０を介して送信する。
【００８４】
前記受信用超音波トランスデューサ２４０は、前記送信用超音波トランスデューサ２３０から送信され前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬されてくる前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を受信し、前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換して受信部２６０に供給する。
【００８５】
前記受信部２６０は、前記受信用超音波トランスデューサ２４０による受信出力を広帯域増幅器２６１により増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、この受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をＡＤ変換器２６２によりデジタル化して信号処理部２７０に供給する。
【００８６】
この超音波伝搬時間計測装置２００における信号処理部２７０は、デジタル信号処理回路であって、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として前記パルス信号発生器により発生された周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号に２ｆＬ〜２ｆＨの周波数成分を持つチャープ波を加算した加算チャープ信号Ｖａｄｄ（ｔ）を疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）として、前記受信部により得られる受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関処理を行うことにより、前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）が前記測定対象の超音波伝搬媒体１０の他方の端面１０Ｂにおいて前記受信用超音波トランスデューサ２４０により受信されるまでの超音波伝搬時間τを検出することができる。
【００８７】
なお、本実施の形態における送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）に特定の窓関数Ｗ１（ｔ）を積算して得られる信号を新たな疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）として受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との間で相互相関処理を行ってもよい。上記窓関数Ｗ１（ｔ）は、チャープ波の立上り時刻ｔＬでの電圧レベルが、周波数が（ｆＬ＋ｆＨ）／２となる時刻における電圧レベルのαＬ倍、チャープ波の立下り時時刻ｔＨでの電圧レベルが、周波数が（ｆＬ＋ｆＨ）／２となる時刻における電圧レベルのαＨ倍となる波形、例えばTukey window、Hamming window、Hanning windowやBlackman windowなどの窓関数の逆数を用いることができる。本窓関数処理は、Ｖtransδ（ｔ）とＶtransδ（ｔ-τ）の送受信、すなわち超音波振動子が有する伝達関数を用いることに対する代替処理とも言える。従って、この窓関数処理は、前記した第四の方法に対しても適用可能である。
【００８８】
［第２の実施の形態］
この実施の形態は前述した第三の方法に対応している。
前記信号処理部２７０において、図５のフローチャートに示す処理を行うことにより参照信号を生成して用いることもできる。
【００８９】
すなわち、この場合、前記信号処理部２７０は、前記パルス信号発生器２１１により送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として発生された周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号を前記駆動回路２１２により増幅して得られる駆動信号Ｄ（ｔ）により前記送信用超音波トランスデューサ２３０を駆動して（ステップＳＴ１）、前記受信部２６０に得られる受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換（ＦＦＴ処理）して周波数軸信号Ｖｒｅｃ（ω）に変換し（ステップＳＴ２）、前記周波数軸信号Ｖｒｅｃ（ω）の絶対値の高調波成分を増幅した周波数軸信号Ｖｒｅｃ’（ω）を算出し（ステップＳＴ３）、前記周波数軸信号Ｖｒｅｃ’（ω）を逆フーリエ変換して時間軸信号である疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）に変換する（ステップＳＴ４）。
【００９０】
そして、前記信号処理部２７０は、この疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との相互相関処理を行うことにより、位相差τを算出し、超音波伝搬時間を求める（ステップＳＴ６）。
【００９１】
図６に示す超音波伝搬時間計測装置３００は、送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生する送信部３１０と、前記送信部３１０からの送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）に変換して測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して送信し、前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して伝搬され反射されてくる前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を受信し、受信した超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換する送受信兼用超音波トランスデューサ３４０と、前記送受信兼用超音波トランスデューサ３４０により電気信号に変換された超音波パルス信号を増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得る受信部３６０と、前記超音波伝搬媒体３１０が有する非線形性を考慮した参照信号と前記受信部３６０により得られた受信パルス信号との相互相関処理により、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）の送受信間の時間間隔τを超音波伝搬時間として検出する信号処理部３７０を備える。
【００９２】
この超音波伝搬時間計測装置３００は、所謂反射法で超音波伝搬時間を計測するものであって、前記送受信兼用超音波トランスデューサ３４０が測定対象の超音波伝搬媒体１０の一端面１０Ａに設けられ、前記測定対象の超音波伝搬媒体１０の一方の端面１０Ａから前記送受信兼用超音波トランスデューサ３４０により送信され、前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）が前記測定対象の超音波伝搬媒体１０の他方の端面１０Ｂにおいて反射され前記測定対象の超音波伝搬媒体１０の前記一方の端面１０Ａにおいて前記送受信兼用超音波トランスデューサ３４０により受信されるまでの超音波伝搬時間τを検出する。
【００９３】
この超音波伝搬時間計測装置３００において、前記送信部３１０は、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）として周波数がｆＬ〜ｆＨの範囲で掃引されたチャープ波信号を発生するパルス信号発生器３１１と、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を増幅して得られる駆動信号Ｄ（ｔ）により前記送信用超音波トランスデューサを駆動する駆動回路３１２からなる。
【００９４】
この送信部３１０は、前記パルス信号発生器３１１が出力した送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記信号処理部３７０に供給するとともに、この送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を増幅した駆動信号Ｄ（ｔ）を前記送受信兼用超音波トランスデューサ３４０の送信用超音波振動子部に供給して送信超音波Ｓｘ（ｔ）を発生させる。
【００９５】
前記送受信兼用超音波トランスデューサ３４０の送信用超音波振動子部は、前記送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を増幅した駆動信号Ｄ（ｔ）を超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ）に変換して前記超音波伝搬媒体１０に送信し、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬され他方の端面１０Ｂにおいて反射され戻されてくる前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を受信し、前記超音波パルス信号Ｓｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換して受信部３６０に供給する。
【００９６】
前記受信部３６０は、前記送受信兼用超音波トランスデューサ３４０による受信出力を広帯域増幅器３６１により増幅して受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、この受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をＡＤ変換器３６２によりデジタル化して信号処理部３７０に供給する。
【００９７】
この超音波伝搬時間計測装置３００における信号処理部３７０は、デジタル信号処理回路であって、前記受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換して周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）に変換し、更に周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）の絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ（ω））を計算し、該絶対値周波数特性Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ（ω））の高調波領域の信号レベルを基本波周波数領域のピークレベルに等化した新たな絶対値周波数特性Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ’（ω））が得られるような信号処理を施し、この信号処理結果を逆フーリエ変換して、疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）を形成し、これと送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理を行うことにより、前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を往復するのにかかった超音波伝搬時間τを検出する。しかし実際には、基本波成分に対する高調波成分のレベル比は、相互相関信号のピーク信号のピーク値や半値幅をモニターしながら、ピーク値が最大、半値幅が最小になる最適値に調整することが好ましい。
【００９８】
なお、前記絶対値周波数特性Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ（ω））の高調波領域の信号と基本波周波数領域の信号は、次のように手法で形成するのが好ましい。すなわち、高調波領域の信号は、正極性のチャープ波駆動信号Ｄ＋（ｔ）を送信用超音波トランスデューサに印加したときに受信用超音波トランスデューサで得られる受信信号Ｖｒｅｃ＋（ｔ−τ）と、負極性のチャープ波駆動信号Ｄ−（ｔ）を送信用超音波トランスデューサに印加したときに受信用超音波トランスデューサで得られる受信信号Ｖｒｅｃ−（ｔ−τ）との和をとることにより抽出される信号とし、また、基本波周波数領域の信号は、正極性のチャープ波駆動信号Ｄ＋（ｔ）を送信用超音波トランスデューサに印加したときに受信用超音波トランスデューサで得られる受信信号Ｖｒｅｃ＋（ｔ−τ）と、負極性のチャープ波駆動信号Ｄ−（ｔ）を送信用超音波トランスデューサに印加したときに受信用超音波トランスデューサで得られる受信信号Ｖｒｅｃ−（ｔ−τ）との差をとることにより抽出される信号とする。受信用超音波トランスデューサで得られる受信信号の基本波成分は逆位相であるが、高調波成分は同位相であるので、受信信号Ｖｒｅｃ−（ｔ−τ）と受信信号Ｖｒｅｃ＋（ｔ−τ）の和をとることにより、基本波成分は相殺され、高調波成分は加算されて２倍の信号レベルの信号として抽出され、また、受信信号Ｖｒｅｃ−（ｔ−τ）と受信信号Ｖｒｅｃ＋（ｔ−τ）の差をとることにより、高調波成分は相殺され、基本波成分は加算されて２倍の信号レベルの信号として抽出され、前記絶対値周波数特性Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ（ω））の高調波領域の信号と基本波周波数領域の信号を効率よく形成することができる。
【００９９】
尚、伝搬時間と音速との関係から試料の厚さや反射点までの距離を計算する時は前記超音波伝搬時間τに１／２倍した値を用いる必要があることはいうまでも無い。
【０１００】
この超音波伝搬時間計測装置３００では、前記送受信兼用超音波トランスデューサ３４０の送信用超音波トランスデューサ部と受信用超音波トランスデューサ部を並列接続し、この並列接続した送受信兼用超音波トランスデューサ３４０で送信超音波を発生させ、他端面で反射し、戻ってきたエコー信号を検知し送信してから受信するまでの時間τを１／２した時間τ１／２を超音波伝搬時間とし、音速を用い、試料の厚さや異物や欠陥などの対象物までの距離を検出することができる。
【０１０１】
［超音波トランスデューサの構成例］
ここで、送信用超音波トランスデューサ及び前記受信用超音波トランスデューサには、例えば図７の（Ａ），（Ｂ）に示すように、電極が送信用電極部と受信用電極部に分割された分割型広帯域超音波トランスデューサ２０を用いることができる。この分割型広帯域超音波トランスデューサ２０は、リング状コンポジット圧電振動子２４、円板状コンポジット圧電振動子２５からなり、前記リング状コンポジット圧電振動子２４の内側円内に前記円板状コンポジット圧電振動子２５が配置される。両コンポジット圧電振動子２４，２５は同じ構造と特性を有し、前記円板状コンポジット２５の厚さはリング状コンポジット圧電振動子２４の厚さの約１／３に設定されており、分割領域３６によって両コンポジット圧電振動子２４，２５が分離されている。この超音波トランスデューサ２０において、２６は共通接地電極、２７はプラノコーンケーブ状の音響レンズ、２８はダンピング層、２９はエポキシ樹脂封止層である。両コンポジット圧電振動子２４，２５の図示しない信号入出力側電極は、ハウジング３３に取り付けたマイクロドットコネクター３４，３５に配線３１，３２を介して接続されている。３７は超音波トランスデューサ固定台への取り付けネジであり、ここではＵＨＦコネクターを用いている。
【０１０２】
このような構造の分割型広帯域超音波トランスデューサ２０は、両コンポジット圧電振動子２４，２５を電気的に並列接続することにより、あたかも単体の超音波トランスデューサかのように用いることができる。
【０１０３】
また、前記分割型広帯域超音波トランスデューサ２０は、送信時は片側の低周波側超音波トランスデューサ部を用い、受信時は他の高周波側超音波トランスデューサ部を使うことができる。この様な使い方はパルス幅が長いチャープ波を送信信号に用いる場合有利となる。即ち、対象物がチャープ波送信信号の時間内に相当する距離にある場合、受信信号とのオーバーラップ領域が出現し、送信波形Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）と受信波形Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）とが峻別できなくなり相互相関処理が難しくなる。送信用超音波トランスデューサは送信駆動のみ行い、受信用超音波トランスデューサは受信のみ行うことによって、両信号が干渉した信号が発生することはない。
【０１０４】
さらに、前記分割型広帯域超音波トランスデューサ２０は、送信時は片側の低周波側超音波振動子を用い、受信時は電気的に並列接続になるようにスイッチ切り替えをして使うこともできる。この場合、受信信号の基本波成分の信号レベルに対して高調波成分の信号レベルの相対比率を可変とする増幅手段を伴う場合もある。
【０１０５】
［第３の実施の形態］
この実施の形態は前述した第一の方法に対応している。
【０１０６】
図８に示す超音波伝搬時間計測装置４００において、前記送信部４１０は、第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）としてδ関数と近似できるＤ（ω）＝１の広帯域パルス信号、たとえば半波の正弦波信号を発生する広帯域パルス発生器４１１Ａと、立ち上がり周波数ｆＬ、停止周波数ｆＨでバースト長がΔＴのチャープ信号を発生するチャープ信号発生器４１１Ｂを備える。前記広帯域パルス発生器４１１Ａにより発生される第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）は、スイッチ制御信号発生器４１３により発生される第１のスイッチ制御信号によりＯＮ・ＯＦＦ制御される第１のスイッチ４１４Ａを介して駆動回路４１２に供給され、また、前記チャープ信号発生器４１１Ｂにより発生される第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）は、前記スイッチ制御信号発生器４１３により発生される第２のスイッチ制御信号によりＯＮ・ＯＦＦ制御される第２のスイッチ４１４Ｂを介して前記駆動回路４１２に供給される。前記スイッチ制御信号発生器４１３は、前記信号処理部４７０による制御に基づいて前記第１のスイッチ制御信号と第２のスイッチ制御信号を発生する。
【０１０７】
この超音波伝搬時間計測装置４００は、上述の図３を用いて説明したパルス圧縮法を採用して、所謂透過法で超音波伝搬時間を計測するものであって、前記送信用超音波トランスデューサ４３０と前記受信用超音波トランスデューサ４４０が測定対象の超音波伝搬媒体１０の異なる二端面１０Ａ、１０Ｂに設けられている。
【０１０８】
前記送信用超音波トランスデューサ４３０と前記受信用超音波トランスデューサ４４０には、ともに上述の図７に示した構造の分割型広帯域超音波トランスデューサ２０の両超音波トランスデューサ部を並列接続したものを用いている。
【０１０９】
前記送信部４１０は、前記広帯域パルス発生器４１１Ａにより発生される第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）を前記駆動回路４１２により増幅した第１の駆動信号Ｄ１（ｔ）を、前記送信用超音波トランスデューサ４３０に供給して、また、前記チャープ信号発生器４１１Ｂが発生した第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記信号処理部４７０に供給するとともに、この第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記駆動回路４１２により増幅した第２の駆動信号  Ｄ２（ｔ）を前記送信用超音波トランスデューサ４３０に印加する。
【０１１０】
前記送信用超音波トランスデューサ４３０は、第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）を第１の超音波パルス信号Ｓ１Ｘ（ｔ）に変換して前記超音波伝搬媒体１０に送信し、前記第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を第２の超音波パルス信号Ｓ２Ｘ（ｔ）に変換して前記超音波伝搬媒体１０に送信する。
【０１１１】
前記受信用超音波トランスデューサ４４０は、前記送信用超音波トランスデューサ４３０から送信され前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬されてくる前記第１の超音波パルス信号Ｓ１Ｘ（ｔ−τ）を受信し、前記第１の超音波パルス信号Ｓ１Ｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換して受信部４６０に供給し、また、前記送信用超音波トランスデューサ４３０から送信され前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬されてくる前記第２の超音波パルス信号Ｓ２Ｘ（ｔ−τ）を受信し、前記第２の超音波パルス信号Ｓ２ｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換して前記受信部４６０に供給する。
【０１１２】
前記受信部４６０は、前記受信用超音波トランスデューサ４４０による受信出力を広帯域増幅器４６１により増幅して、前記第１の超音波パルス信号Ｓ１Ｘ（ｔ−τ）の受信時に第１の受信信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）を得て、この第１の受信パルス信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）をＡＤ変換器４６２によりデジタル化して信号処理部４７０に供給し、また、前記第２の超音波パルス信号Ｓ２Ｘ（ｔ−τ）の受信時に第２の受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、この第２の受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を前記ＡＤ変換器４６２によりデジタル化して前記信号処理部４７０に供給する。
【０１１３】
この超音波伝搬時間計測装置４００における信号処理部４７０は、デジタル信号処理回路であって、図９のフローチャートに示す処理を行う。前記第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）を送信用超音波トランスデューサに印加し（ＳＴ１１）、前記受信部４６０により得られた第１の受信パルス信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）をフーリエ変換して周波数特性Ｖｒｅｃδ（ω）に変換し（ＳＴ１２）、更に周波数特性Ｖｒｅｃδ（ω）の絶対値周波数特性Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））を計算する（ＳＴ１３）。次にこの絶対値周波数特性Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））（＝Ｖｒｅｃδ’（ω））を第２の送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）（ＳＴ１４）の周波数特性Ｖｔｒａｎｓ（ω）（ＳＴ１５）に積算し（ＳＴ１６）、該積算信号を逆フーリエ変換して得られる時間軸特性である疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ’（ｔ）（ＳＴ１７）と、第２の送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）に対する受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との間で相互相関処理（ＳＴ１８）を行うことにより、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される第２の超音波パルス信号Ｓ２Ｘ（ｔ）の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間τとして検出して呈示する（ＳＴ１９）ことが可能となる。
［第４の実施の形態］
この実施の形態は前述した第二の方法に対応している。
【０１１４】
図８に示す超音波伝搬時間計測装置４００において、前記送信部４１０は、第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）としてδ関数と近似できるＤ（ω）＝１の広帯域パルス信号、たとえば半波の正弦波信号を発生する広帯域パルス発生器４１１Ａと、立ち上がり周波数ｆＬ、停止周波数ｆＨでバースト長がΔＴのチャープ信号を発生するチャープ信号発生器４１１Ｂを備える。前記広帯域パルス発生器４１１Ａにより発生される第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）は、スイッチ制御信号発生器４１３により発生される第１のスイッチ制御信号によりＯＮ・ＯＦＦ制御される第１のスイッチ４１４Ａを介して駆動回路４１２に供給され、また、前記チャープ信号発生器４１１Ｂにより発生される第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）は、前記スイッチ制御信号発生器４１３により発生される第２のスイッチ制御信号によりＯＮ・ＯＦＦ制御される第２のスイッチ４１４Ｂを介して前記駆動回路４１２に供給される。前記スイッチ制御信号発生器４１３は、前記信号処理部４７０による制御に基づいて前記第１のスイッチ制御信号と第２のスイッチ制御信号を発生する。
【０１１５】
この超音波伝搬時間計測装置４００は、上述の図３を用いて説明したパルス圧縮法を採用して、所謂透過法で超音波伝搬時間を計測するものであって、前記送信用超音波トランスデューサ４３０と前記受信用超音波トランスデューサ４４０が測定対象の超音波伝搬媒体１０の異なる二端面１０Ａ、１０Ｂに設けられている。
【０１１６】
前記送信用超音波トランスデューサ４３０と前記受信用超音波トランスデューサ４４０には、ともに上述の図７に示した構造の分割型広帯域超音波トランスデューサ２０の両超音波トランスデューサ部を並列接続したものを用いている。信号処理フローチャートが示されている図１３を併用しながら本実施の形態の作用を説明する。
【０１１７】
前記送信部４１０は、前記広帯域パルス発生器４１１Ａにより発生される第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）を前記駆動回路４１２により増幅した第１の駆動信号Ｄ１（ｔ）を、前記送信用超音波トランスデューサ４３０に供給する（ＳＴ２１）、また、前記チャープ信号発生器４１１Ｂが発生した第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記信号処理部４７０に供給するとともに、この第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記駆動回路４１２により増幅した第２の駆動信号Ｄ２（ｔ）を前記送信用超音波トランスデューサ４３０に印加する（ＳＴ２４）。
【０１１８】
前記送信用超音波トランスデューサ４３０は、第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）を第１の超音波パルス信号Ｓ１Ｘ（ｔ）に変換して前記超音波伝搬媒体１０に送信し、前記第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を第２の超音波パルス信号Ｓ２Ｘ（ｔ）に変換して前記超音波伝搬媒体１０に送信する。
【０１１９】
前記受信用超音波トランスデューサ４４０は、前記送信用超音波トランスデューサ４３０から送信され前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬されてくる前記第１の超音波パルス信号Ｓ１Ｘ（ｔ−τ）を受信し、前記第１の超音波パルス信号Ｓ１Ｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換して受信部４６０に供給し、また、前記送信用超音波トランスデューサ４３０から送信され前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬されてくる前記第２の超音波パルス信号Ｓ２Ｘ（ｔ−τ）を受信し、前記第２の超音波パルス信号Ｓ２ｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換して前記受信部４６０に供給する。
【０１２０】
前記受信部４６０は、前記受信用超音波トランスデューサ４４０による受信出力を広帯域増幅器４６１により増幅して、前記第１の超音波パルス信号Ｓ１Ｘ（ｔ−τ）の受信時に第１の受信信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）を得て（ＳＴ１２）、この第１の受信パルス信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）をＡＤ変換器４６２によりデジタル化して信号処理部４７０に供給し、また、前記第２の超音波パルス信号Ｓ２Ｘ（ｔ−τ）の受信時に第２の受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て（ＳＴ１５）、この第２の受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を前記ＡＤ変換器４６２によりデジタル化して前記信号処理部４７０に供給する。
【０１２１】
この超音波伝搬時間計測装置４００における信号処理部４７０は、デジタル信号処理回路であって、図１３のフローチャートに示す処理を行うことにより、前記第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）と前記受信部４６０により得られた第１の受信パルス信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）をフーリエ変換して周波数特性Ｖｒｅｃδ（ω）に変換し（ＳＴ２６）、更に周波数特性Ｖｒｅｃδ（ω）を計算し（ＳＴ２２）、次いで絶対値周波数特性Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））（これをＶｒｅｃδ’（ω）と表記しなおす）を計算する（ＳＴ２３）。この信号Ｖｒｅｃδ’（ω）には一度絶対値処理を行っているので、位相情報τを含んでいない。従って、Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）に対する受信信号であるＶｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換して得られる周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）を除算した除算信号にはもとの位相情報τが含まれている（ＳＴ２７）。そこで、該除算信号Ｖｒｅｃ’（ω）を逆フーリエ変換して（ＳＴ２８）得られる時間軸信号である疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理する（ＳＴ２９）ことにより前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される第２の超音波パルス信号Ｓ２Ｘ（ｔ）の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間τとして検出して呈示する（ＳＴ３０）ことが可能となる。
【０１２２】
ここで、前記チャープ信号の開始周波数ｆＬが例えば２．５ＭＨｚ、終了周波数ｆＨが７．５ＭＨｚのとき、超音波トランスデューサの比帯域幅は１００％となり、従来のＰＺＴセラミクス等の圧電振動子では実現不可能な値であり、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子圧電体では十分な送信音圧が得られない。しかしながら、送信用超音波トランスデューサ４３０としては、コンポジット圧電振動子を用い分割型にして両超音波トランスデューサ部を並列接続することにより、単体の超音波トランスデューサとして送受信兼用で使えることが出来る。
【０１２３】
尚、周波数３ｆ０を中心としたピークには、超音波伝搬によって発生した非線形第３高調波成分と、超音波トランスデューサとして圧電振動子を用いる場合の線形成分を加算したものであり、超音波トランスデューサの伝達関数の一部である三次のオーバートーン成分とが含まれている。このように、受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）の周波数特性には超音波トランスデューサ４３０，４４０の伝達関数Ｈｔ（ω）×Ｈｒ（ω）に相当する成分と、超音波伝搬によって発生した非線形高調波成分Ｆｎｌ（ω）が含まれる。Ｆ０は超音波トランスデューサの伝達関数の基本波成分、Ｆ１は超音波伝搬によって発生した非線形成分Ｆｎｌ（ω）のうちの第二高調波成分、Ｆ２は非線形第三高調波成分と送信超音波に既に含まれている三次のオーバートーン成分を加算した成分に対応している。尚、図１０に示した周波数特性は受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換して得られるＶｒｅｃδ（ω）の絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））であり、複素信号ではなく、実数信号となっていて、位相τに関する情報を含んでいない。従って、位相τに関する情報を含んでいないＡｂｓ（Ｖｒｅｃδ（ω））で位相τに関する情報を含んでいるＶｒｅｃ（ｔ−τ）を除算すると、τに関する情報は除算結果にそのまま残っていて、それを逆フーリエ変換して得られる時間軸信号である疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）にもτに関する情報が同じ様に残っている。従って、その疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と送信信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との相互相関処理を行うことによってτを高精度で検出できるようになるのである。
【０１２４】
また、一般に非線形超音波はｎ次（ｎ：２以上の整数）の高調波まで含まれ、次数ｎが高まるほどその振幅レベルが対数的に低減するのでｎ＝３まで考慮すれば十分と言われているが、本発明の技術に於いてもｎ＝３までの非線形成分までを考えれば十分と言える。しかし、ｎが４以上の次数まで考慮すると支障があるわけではない。また、ｎ＝２までを考慮するよりは、ｎ＝３までを考慮した相互相関処理を行う方が、受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ω）と参照信号としてのＶｔｒａｎｓ（ω）の類似度は高まり、計測精度が向上することは言うまでもない。
【０１２５】
図１０に実線で示した周波数特性は、以上の様にして形成されるｎ＝３までを考慮した周波数特性である。
【０１２６】
パルス圧縮信号、即ち相互相関信号は、チャープ信号をフーリエ変換することによるＳｉｎｃ関数の要素を持ち、図１２に示すように相関値が最大を示すピークＰＫと、その両側にサイドローブＳＬを伴う特徴を持つ。該最大を示すピークＰＫの半値幅Δｔが小さいほど、送信超音波の発生時刻と受信信号の受信時間差、即ち超音波伝搬時間の計測分解能が良いことを意味している。参照超音波と被参照信号の波形の類似度が高くなるほど最大を示すピークＰＫのピーク相関値は１に近くなる。また、本実施の形態のように、チャープ波を使ってパルス圧縮することにより最大を示すピークＰＫの半値幅Δｔは小さくなり、計測精度が向上してくる。
【０１２７】
［第５の実施の形態］
図１４に示す超音波伝搬時間計測装置５００は、上述の図３を用いて説明したパルス圧縮法を採用して、反射法で超音波伝搬時間を計測するものであって、第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）と第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を発生する送信部５１０を備え、送信用超音波トランスデューサ、例えばリング型振動子２４と受信用超音波トランスデューサ、例えば円板型振動子２５を送受信用超音波トランスデューサ５４０に別体として構造化された、上述の図７に示した構造の分割型広帯域超音波トランスデューサ２０が測定対象の超音波伝搬媒体１０の一端面１０Ａに設けられている。
【０１２８】
この超音波伝搬時間計測装置５００において、前記送信部５１０は、第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）としてδ関数と近似できるＤ（ω）＝１の広帯域パルス信号、たとえば半波の正弦波信号を発生する広帯域パルス発生器５１１Ａと、立ち上がり周波数ｆＬ、停止周波数ｆＨでバースト長がΔＴのチャープ信号を発生するチャープ信号発生器５１１Ｂを備える。前記広帯域パルス発生器５１１Ａにより発生される第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）は、スイッチ制御信号発生器５１３により発生される第１のスイッチ制御信号によりＯＮ・ＯＦＦ制御される第１のスイッチ５１４Ａを介して駆動回路５１２に供給され、また、前記チャープ信号発生器５１１Ｂにより発生される第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）は、前記スイッチ制御信号発生器５１３により発生される第２のスイッチ制御信号によりＯＮ・ＯＦＦ制御される第２のスイッチ５１４Ｂを介して前記駆動回路５１２に供給される。前記スイッチ制御信号発生器５１３は、前記信号処理部５７０による制御に基づいて前記第１のスイッチ制御信号と第２のスイッチ制御信号を発生する。
【０１２９】
前記送信部５１０は、前記広帯域パルス発生器５１１Ａにより発生される第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）を前記駆動回路５１２により増幅した第１の駆動信号Ｄ１（ｔ）を前記駆動回路５１２から前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０内に構造化された一方の振動子、例えばリング型振動子に供給して、前記駆動信号Ｄ１（ｔ）により超音波トランスデューサ５４０内に構造化された一方の振動子、例えばリング型振動子を駆動し、また、前記チャープ信号発生器５１１Ｂが発生した第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記信号処理部５７０に供給するとともに、この第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記駆動回路４１２により増幅した第２の駆動信号Ｄ２（ｔ）を前記駆動回路５１２から前記超音波トランスデューサ５４０内に構造化された一方の振動子、例えばリング型振動子に供給して、前記駆動信号Ｄ２（ｔ）により前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０内に構造化された一方の振動子、例えばリング型振動子を駆動する。
【０１３０】
ここで、前記チャープ信号発生器５１１Ｂで発生するチャープ信号の開始周波数ｆＬが例えば２．５ＭＨｚ、終了周波数ｆＨが７．５ＭＨｚのとき、超音波トランスデューサの比帯域幅は１００％となり、従来のＰＺＴセラミクス等の圧電振動子では実現不可能な値であり、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の様な高分子圧電体では十分な送信音圧が得られない。前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０は、受信時には基本波と第三高調波成分まで、即ちチャープ信号の開始周波数ｆＬが例えば２．５ＭＨｚ、終了周波数ｆＨが７．５ＭＨｚのとき、２．５ＭＨｚから２２．５ＭＨｚの帯域を受信できる必要がある。このため、送受信兼用超音波トランスデューサ５４０として用いる分割型広帯域超音波トランスデューサ２０の、一方の圧電振動子、例えばリング型圧電振動子２４の厚さをＴとしたとき、他の圧電素子、例えば円板型圧電振動子２５の厚さはＴ／３にし、リング型圧電素子２４を送信専用に、円板型圧電振動子２５を受信専用にして使うことになる。この分割型広帯域超音波トランスデューサ２０の一方の圧電振動子、例えばリング型振動子２４に、前記チャープ信号発生器５１１Ｂで発生するチャープ信号を駆動回路５１２によって１００Ｖ程度に増幅した駆動信号Ｄ２（ｔ）が印加される。
【０１３１】
前記超音波トランスデューサ５４０を構成するリング型圧電素子２４は、前記駆動信号Ｄ１（ｔ）で駆動されることにより、前記第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）を第１の超音波パルス信号Ｓ１ｘ（ｔ）に変換して前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して送信し、また、前記駆動信号Ｄ２（ｔ）で駆動されることにより、前記第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を第２の超音波パルス信号Ｓ２ｘ（ｔ）に変換して前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して送信し、前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して伝搬され前記超音波伝搬媒体１０の他方の端面１０Ｂにおいて反射されて戻ってくる前記第１の超音波パルス信号Ｓ１ｘ（ｔ−τ）を受信し、前記第１の超音波パルス信号Ｓ１ｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換して受信部５６０に供給し、また、前記送信用超音波トランスデューサ５４０から送信され前記測定対象の超音波伝搬媒体１０を介して伝搬され前記超音波伝搬媒体１０の他方の端面１０Ｂにおいて反射されて戻れてくる前記第２の超音波パルス信号Ｓ２ｘ（ｔ−τ）を受信し、前記第２の超音波パルス信号Ｓ２ｘ（ｔ−τ）を電気信号に変換して前記受信部５６０に供給する。
【０１３２】
前記受信部５６０は、前記受信用超音波トランスデューサ５４０による受信出力を広帯域増幅器５６１により増幅して、前記第１の超音波パルス信号Ｓ１ｘ（ｔ−τ）の受信時に第１の受信パルス信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）を得て、この第１の受信パルス信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）をＡＤ変換器４６２によりデジタル化して信号処理部５７０に供給し、また、前記第２の超音波パルス信号Ｓ２ｘ（ｔ−τ）の受信時に第２の受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得て、この第２の受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を前記ＡＤ変換器５６２によりデジタル化して前記信号処理部５７０に供給する。
【０１３３】
この超音波伝搬時間計測装置５００における信号処理部５７０は、デジタル信号処理回路であって、前記超音波伝搬時間計測装置４００における信号処理部４７０と同様に、前記図９又は図１３のフローチャートに示した処理を行うことにより、前記第１の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓδ（ｔ）と前記受信部５６０により得られた第１の受信パルス信号Ｖｒｅｃδ（ｔ−τ）から前記超音波伝搬媒体１０が有する非線形性を考慮した疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ‘（ｔ）を形成し、形成した疑似送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ‘（ｔ）を前記受信部５６０により得られた第２の受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）との相互相関処理により、前記超音波伝搬媒体１０を介して伝搬される第１の超音波パルス信号Ｓ２ｘ（ｔ−τ）の送受信間の時間間隔を超音波伝搬時間τとして検出して呈示する。
【０１３４】
なお、この図１４に示した超音波伝搬時間計測装置５００は、前記信号処理部５７０により、前記送信部５１０の第１のスイッチ５１４ＡをＯＦＦ状態とし、第２のスイッチ５１４ＢをＯＮ状態とするようにスイッチ制御信号発生器５１３の動作を制御して、前記チャープ信号発生器５１１Ｂにより発生される第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記駆動回路５１２により増幅した第１の駆動信号Ｄ２（ｔ）を前記駆動回路５１２から前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０に供給して、前記駆動信号Ｄ２（ｔ）により前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０の一方、例えばリング型振動子２４を駆動するものとすることにより、上述の図６に示した超音波伝搬時間計測装置３００として用いることもできる。本実施の形態では、送信用圧電振動子には送信駆動にのみ、受信用圧電振動子はエコー信号の受信のみに用いるので、送信信号のパルス幅によらず両信号が重なり合うことがないので、全ての伝搬時間範囲で伝搬時間を高精度に検出して呈示できるようになる。
【０１３５】
［第６の実施の形態］
図１５に示す超音波伝搬時間計測装置５００Ａは、上述の図１４に示した超音波伝搬時間計測装置５００における前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０として用いた分割型広帯域超音波トランスデューサ２０を構成しているリング状コンポジット圧電振動子２４と円板状コンポジット圧電振動子２５を送信用超音波トランスデューサと受信用超音波トランスデューサとして個別に機能させるようにしたものである。
【０１３６】
すなわち、この超音波伝搬時間計測装置５００Ａでは、送信用超音波トランスデューサとしてリング状コンポジット圧電振動子２４が送信部５１０の駆動回路５１２に接続されており、受信用超音波トランスデューサとして円板状コンポジット圧電振動子２５が受信部５６０の広帯域増幅器５６１に接続されている。
【０１３７】
そして、超音波伝搬時間計測装置５００Ａは、信号処理部５７０により、送信部５１０の第１のスイッチ５１４ＡをＯＦＦ状態とし、第２のスイッチ５１４ＢをＯＮ状態とするようにスイッチ制御信号発生器５１３の動作を制御して、前記チャープ信号発生器５１１Ｂにより発生される第２の送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）を前記駆動回路５１２により増幅した第１の駆動信号Ｄ２（ｔ）を前記駆動回路５１２から前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０供給して、前記駆動信号Ｄ２（ｔ）により前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０を駆動するものとすることにより、上述の図６に示した超音波伝搬時間計測装置３００として機能するようにしたものである。
【０１３８】
この超音波伝搬時間計測装置５００Ａにおける他の構成要素は、上述の図１４に示した超音波伝搬時間計測装置５００と同じなので、図１４中に同一つ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１３９】
この超音波伝搬時間計測装置５００Ａにおいて、送受信兼用超音波トランスデューサ５４０として用いた分割型広帯域超音波トランスデューサ２０を構成している両コンポジット圧電振動子２４，２５は互いに面積が等しく、リング状コンポジット圧電振動子２４は中心周波数が５ＭＨｚ、円板圧電振動子２５は中心周波数が１５ＭＨｚに成る厚さに設定されている。比帯域幅がともに１００％あるとすると、リング状コンポジット圧電振動子２４は２．５ＭＨｚから７．５ＭＨｚの帯域を有し、送信部５１０の駆動回路５１２により駆動信号Ｄ２（ｔ）が印加され、送信超音波パルス信号を発生することだけに用いられ、円板状コンポジット圧電振動子２５は、７．５ＭＨｚから２２．５ＭＨｚの帯域を有し、受信超音波パルス信号を電気信号に変換することだけに用いられる。
【０１４０】
したがって、リング状コンポジット圧電振動子２４に印加される駆動信号Ｄ２（ｔ）は、開始周波数ｆＬが２．５ＭＨｚ、終了周波数ｆＨが７．５ＭＨｚのチャープ信号であり、該チャープ信号によって駆動されて、超音波パルス信号を一端面１０Ａから超音波伝搬媒体１０に送信する。そして、その超音波パルス信号が前記超音波伝搬媒体１０の他端面１０Ｂに到達し、該他端面１０Ｂで反射された超音波パルス信号がパルスエコー信号となって受信用の円板状コンポジット圧電振動子２５で受信され、電気信号に変換される。そして、受信部２６０において、前記受信用の円板状コンポジット圧電振動子２５で受信された超音波パルス信号の電気信号が広帯域増幅器５６１によって増幅されＡＤ変換器５６２によってデジタル信号に変換された受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）として、信号処理部５７０に入力される。
【０１４１】
前記信号処理部５７０での信号処理内容は、上述の図６に示した超音波伝搬時間計測装置３００の場合とほぼ同じであるので、相違点のみを以下に説明する。
【０１４２】
ここで、送受信兼用超音波トランスデューサ５４０として用いた分割型広帯域超音波トランスデューサ２０の特徴は、受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）を得るための受信専用の円板状コンポジット圧電振動子２５が、受信超音波パルス信号が有する周波数帯域のうち、当該円板状コンポジット圧電振動子２５が有する受信帯域の帯域成分を選択的に受信する機能を有することである。
【０１４３】
例えば、リング状コンポジット圧電振動子２４から２．５ＭＨｚから７．５ＭＨｚの帯域を有する超音波パルス信号が送信され、超音波の伝搬に伴って、７．５ＭＨｚから２２．５ＭＨｚの帯域を有する高調波成分が加わったとすると、受信専用の円板状コンポジット圧電振動子２５は、選択的に７．５ＭＨｚから２２．５ＭＨｚの帯域を有する高調波成分を出力する。２．５ＭＨｚから７．５ＭＨｚの周波数帯域成分や第二高調波成分の５ＭＨｚ〜１５ＭＨｚ成分を完全に遮断するわけではないので、前記受信専用の円板状コンポジット圧電振動子２５により電気信号に変換された受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）は、人為的な操作なしに周波数軸信号Ｖｒｅｃ（ω）における各周波数成分の相対的な信号レベル差が低減した信号となる。
【０１４４】
このレベル差は、前記受信専用の円板状コンポジット圧電振動子２５のダンピングを弱め、振動の共振先鋭度Ｑを高くすれば、それに比例して相対的な信号レベル差が低減してゆく。したがって、受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をフーリエ変換して、基本波成分に対して高調波成分の信号レベルを同程度まで持ちあげ、それを逆フーリエ変換して再び時間信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）にするということが不要になる。すなわち、前記信号処理部５７０では、前記受信専用の円板状コンポジット圧電振動子２５の出力に基づいて受信部５６０において得られる受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）の周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）の絶対値Ａｂｓ（Ｖｒｅｃ（ω））を計算し、レベル調整を行って新規のＶｒｅｃ’（ω）を得る。そして、それを逆フーリエ変換して得られる疑似受信パルス信号Ｖｒｅｃ’（ｔ−τ）と送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間の相互相関を実施すれば良いことになる。その処理手順は前述した図５のフローチャートからステップＳＴ３，ＳＴ４を省略した処理で良いことになる。それ以外は第２の実施の形態に示した通りであるので省略する。
【０１４５】
［第７の実施の形態］
図１６に示す超音波伝搬時間計測装置５００Ｂは、上述の図１５に示した超音波伝搬時間計測装置５００Ａにおける前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０が、超音波送信時にはた分割型広帯域超音波トランスデューサ２０を構成している送信用超音波トランスデューサ、例えばリング状コンポジット圧電振動子２４のみを用い、受信時には送信用超音波トランスデューサ２４と受信用超音波トランスデューサ、例えば円板状コンポジット圧電振動子２５を並列接続することにより受信用超音波トランスデューサとして機能させるように、第３のスイッチ５１４Ｃを設けたものである。
【０１４６】
この第３のスイッチ５１４Ｃは、受信時には、前記リング状コンポジット圧電振動子２４と円板状コンポジット圧電振動子２５を並列接続することにより受信用超音波トランスデューサとして機能させ、送信時には前記リング状コンポジット圧電振動子２４を単独で送信用超音波トランスデューサとして機能させるように、信号処理部５７０によりＯＮ・ＯＦＦ制御される。この超音波伝搬時間計測装置５００Ｂにおける他の構成要素は、上述の図１５に示した超音波伝搬時間計測装置５００Ａと同じなので、図１６中に同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１４７】
この超音波伝搬時間計測装置５００Ｂにおいて、前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０として用いた分割型広帯域超音波トランスデューサ２０は、超音波送信には中心周波数が基本波周波数になる厚さのコンポジット圧電振動子、例えば図７に示したリング状圧電振動子２４を、また伝搬超音波の受信には高調波成分の周波数が、その共振周波数となる厚さに設定したコンポジット圧電振動子、例えば図７に示した円板状圧電振動子２５を対応させ、両圧電振動子は接地側の電極２６こそ共通としているものの、信号入出力側の電極は分離してそれぞれ別々の配線３１，３２が接続されている。
【０１４８】
この超音波伝搬時間計測装置５００Ｃでは、受信時には、前記リング状コンポジット圧電振動子２４と円板状コンポジット圧電振動子２５を並列接続することにより受信用超音波トランスデューサとして機能させ、送信時には前記リング状コンポジット圧電振動子２４を単独で送信用超音波トランスデューサとして機能させるようにした所謂送受信分離型の構造を採用したので、受信側の圧電振動子の厚さとダンピング層の設計を最適化することによって、広帯域パルス駆動に対する受信信号の周波数特性の高調波成分の信号レベルを基本波成分にほぼ等しくすることができる。
【０１４９】
なお、前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０として用いた分割型広帯域超音波トランスデューサ２０には、高調波成分の振幅レベルが基本波成分の振幅レベルに対し最適な関係になるように調整するための可変直流抵抗等の信号減衰器５８０が前記円板状コンポジット圧電振動子２５の信号端子と前記第３のスイッチ５１４Ｃとの間設けられている。前記信号減衰器５８０は、前記円板状コンポジット圧電振動子２５の信号端子と前記第３のスイッチ５１４Ｃとの間に配置するのではなく、前記リング状コンポジット圧電振動子２４の入出力端子との間に配置してもよい。また、信号減衰器５８０として、前記受信パルス信号が伝送される経路にハイパスフィルタを配置しても良い。また減衰させたい方の超音波振動子、たとえば送信用超音波トランスデューサに並列に信号線と接地線との間に直流抵抗を接続しても良い。
【０１５０】
したがって、この超音波伝搬時間計測装置５００Ｂでは、上述の図１５に示した超音波伝搬時間計測装置５００Ａと同様に、前記信号処理部５７０に高調波成分増幅の機能は不要となる。
【０１５１】
送信部５１０の駆動回路５１２は、開始周波数ｆＬ、終了周波数ｆＨ、パルス長ΔＴを有すチャープ波信号を増幅して駆動信号Ｄ（ｔ）として、前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０に印加する。
【０１５２】
前記送受信兼用超音波トランスデューサ５４０が前記駆動信号Ｄ（ｔ）の印加により駆動され、超音波パルス信号を一端面１０Ａから超音波伝搬媒体１０に送信する。そして、その超音波パルス信号が前記超音波伝搬媒体１０の他端面１０Ｂに到達し、該他端面１０Ｂで反射された超音波パルス信号がパルスエコー信号となって前記超音波トランスデューサ５４０の前記並列接続された受信用超音波トランスデューサで受信され、電気信号に変換される。そして、受信部５６０において、前記並列接続された受信用超音波トランスデューサで受信された超音波パルス信号の電気信号が広帯域増幅器５６１によって増幅されＡＤ変換器５６２によってデジタル信号に変換された受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）として、信号処理部５７０に入力される。受信パルス信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）の周波数特性Ｖｒｅｃ（ω）の絶対値特性は、前記したように、基本波成分のみを減衰させる図示していない減衰手段を制御するか、高調波成分を増幅する手段５８０を制御するかによって受信信号の基本波成分のピーク信号レベルと高調波成分のピークレベルが等化されているので、受信信号Ｖｒｅｃ（ｔ−τ）をそのまま用い送信パルス信号Ｖｔｒａｎｓ（ｔ）との間で相互相関処理すれば良いことになる。これは、送信用圧電振動子の共振周波数が送信超音波の基本波周波数に合うような厚さに設計され、受信用圧電素子の共振周波数が受信超音波の高調波成分の中心周波数に合うような厚さに設計されているためであり、受信超音波のうち、高調波成分を選択的に受信する機能があるからである。
【０１５３】
尚、以上の説明は本実施の形態が最も効果を発揮できる第２の実施の形態を引用して説明したが、他の実施の形態に示した信号処理法に対応させても問題が起こることは無い。減衰も増幅もしないで、第５の実施の形態と同様な使い方が出来る。
【０１５４】
上述の各実施の形態における信号処理部３７０，４７０，５７０では、上述の図５、図９又は図１３に示したいずれかのフローチャートにしたがった信号処理を行うものとすることにより、従来配慮されていなかった超音波伝搬媒体の非線形音響特性、さらには超音波トランスデューサの伝達特性や超音波伝搬特性をも考慮した超音波伝搬時間の計測結果をうることができる。
【０１５５】
また、前記信号処理部３７０，４７０，５７０において実行される前記図５、図９又は図１３に示した各フローチャートにしたがった信号処理は、透過法による超音波伝搬時間の計測及び反射法による超音波伝搬時間の計測処理のどちらにも適用することができる。
【０１５６】
なお、本発明は、以上の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明では、超音波伝搬時間を高精度に計測することができ、その計測結果を、例えば、板厚等の寸法、欠陥やターゲットの位置、変位、流体の流速、材料の物性値としての音速、又は、生体臓器の位置や状態情報、構造材料の欠陥の位置や形状などの超音波画像診断に用いられる情報のうちのいずれか、又はいくつかを組み合わせた物理情報又は物性情報の精密測定、または材料の物性計測に利用することができる。
【符号の説明】
【０１５８】
１０  超音波伝搬媒体、
２０  分割型広帯域超音波トランスデューサ、
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０  送信部、
１１１，２１１，３１１  パルス信号発生器、
１１２，２１２，３１２，４１２，５１２  駆動回路、
１２０  同軸ケーブル、
１３０，２３０，４３０  送信用超音波トランスデューサ、
１４０，２４０，４４０  受信用超音波トランスデューサ、
１５０  同軸ケーブル、
１６０，２６０，３６０，４６０，５６０  受信部、
１７０，２７０，３７０，４７０，５７０  信号処理部、
２６１，３６１，４６１，５６１  広帯域増幅器、
２６２，３６２，４６２，５６２  ＡＤ変換器、
３４０，５４０    送受信兼用超音波トランスデューサ、
４１１Ａ，５１１Ａ  広帯域パルス発生器、
４１１Ｂ，５１１Ｂ    チャープ信号発生器、
４１３，５１３  スイッチ制御信号発生器、
５１４Ａ，５１４Ｂ，５１４Ｃ  スイッチ
【図１】
2012042449.tif 000005
【図２】
2012042449.tif 000006
【図３】
2012042449.tif 000007
【図４】
2012042449.tif 000008
【図５】
2012042449.tif 000009
【図６】
2012042449.tif 000010
【図７】
2012042449.tif 000011
【図８】
2012042449.tif 000012
【図９】
2012042449.tif 000013
【図１０】
2012042449.tif 000014
【図１１】
2012042449.tif 000015
【図１２】
2012042449.tif 000016
【図１３】
2012042449.tif 000017
【図１４】
2012042449.tif 000018
【図１５】
2012042449.tif 000019
【図１６】
2012042449.tif 000020