映像情報インダストリアル 原稿（2016 年 7 月号） ディービー㈱アレイ型超音波探触子を用いたリアルタイム開口合成法の紹介
ディービー株式会社 横濱慎也
概要
従来の超音波探傷法における方位分解能は超音波探触子の周波数および開口に依存するため、その改善のためには探傷周波数を高くする、または超音波探触子の開口を大きくする必要があった。一方、開口合成法は従来の超音波探傷法に比較して方位分解能を改善できる手法であり、高精度の探傷画像を取得できる特長がある。本稿ではアレイ型超音波探触子を用いたリアルタイム開口合成法の概要について紹介する。

1. 緒言
超音波探傷試験は工業製品のキズを検出、評価するための非破壊検査技術の一手法として標準となっている。超音波探傷試験で用いる超音波探触子は 1970 年代にアレイ型が開発され、それにより Synthetic
aperture focusing technique (SAFT)などの高度な開口合成法が提唱されてきた。SAFT は、各素子がパルスエコー法により動作するモノスタティックと、単一素子から送信された超音波を全ての素子で受信するマルチスタティックがあり、マルチスタティックはモノスタティックに比較して遥かに多くの A-スキャンデータを得ることができる。取得したデータはイメージ化のためにモノスタティック、マルチスタテ
ィックのいずれも Total focusing method (TFM)と呼ばれる処理で再構成される。この標準的なアプローチは再構成イメージを生成するためにコヒーレント加算に基づく。これは正確なディレー計算により再構成イメージの各点にフォーカスを絞ることと等価になる。また、TFM は探傷イメージのサイズ、解像度、材料音速を自由に定義できることから、従来の超音波探傷試験にはない様々な利点がある。しかし、開口合成法にはデータ転送速度の課題と TFM 再構成を行うための計算処理時間の課題があり、フィールドでの適用が困難とされてきた。本稿では開口合成法の概要とフィールドへの適用のためのリアルタイム開口合成法について紹介する。
2. 開口合成法の概要
2-1 モノスタティックキャプチャー
アレイ型超音波探触子の全ての素子は、パルス-エコー法によってのみ動作する。各素子は送信と受信で動作し、これは全ての素子において繰り返される。図 1 に示す i 素子から送受信された A-スキャンデー
タは y (t, ui) で表すことができる。Nel の素子がある場合、TFM 再構成点 (x, z) のためのコヒーレンスな総和は次式で与えられる。
𝑁𝑒𝑙𝑜(𝑥, 𝑧) = ∑ 𝑦(𝑖=1

また、r =( x - ui )2 + z2

2𝑟,𝑢 )𝑐 𝑖(1)

は素子から再構成点までの距離であり、c は材料音速で再構成計算時に一定の値をとる。
2-2 マルチスタティックキャプチャー
アレイ型超音波探触子は単素子送信と全素子受信で動作する。A-スキャンデータは図 2 で示す送信素子 i と受信素子 j から、y = (t, ui, vj)と表すことができる。Nel の素子がある場合、TFM 再構成点(x, z)は次式で与えられる。

本文の著作権は、ディービー㈱に帰属します。本文の全部又は一部を引用される際には、お手数ですがディービー㈱Tel0774-29-9014までご連絡をお願いします。

映像情報インダストリアル 原稿（2016 年 7 月号） ディービー㈱𝑁𝑒𝑙 𝑁𝑒𝑙𝑟1 + 𝑟2𝑜(𝑥, 𝑧) = ∑ ∑ 𝑦 (, 𝑢𝑖 , 𝑣𝑗 )𝑐(2)𝑖=1 𝑗=1

また、r1 =( x - ui )2 + z2 、r2 =( x - vj )2 + z2 とする。

図 1 モノスタティックキャプチャー

図2 マルチスタティックキャプチャー

3. 開口合成法の課題
開口合成法をフィールドで適用するためには、A-スキャンデータ転送速度と TFM 再構成処理時間の二つの課題を解決する必要がある。
3-1 データ転送速度
アレイ型超音波探触子の素子が Nel あるとき、A-スキャンデータの総数はマルチスタティックで最大Nel2 となるため、超音波探傷装置から PC へのデータ転送速度がボトルネックとなっていた。しかし、Advanced OEM Solution NDT 社では USB3.0 通信での 80 MB/s 以上のデータ転送に対応した、フルパラレル超音波探傷装置が開発されており、この課題が解決できる。
主な仕様
データ通信方法
PRF
インターフェース
(DLL 付属)チャンネル数図3

Ethernet (10 MB/s)
USB3.0 (80 MB/s)
20 kHz
C++, C#Matlab®
LabView®
16/16, 32/32, 16/128, 32/128,64/64, 128/128, 256/256

Advanced OEM Solution NDT 社製フルパラレル超音波探傷装置

3-2 TFM 再構成処理
再構成の計算処理のために PC 等が必要となるが、フィールドでの適用にはラップトップタイプ PC を用いることが必須となる。技術の進歩によりラップトップ PC にも GP-GPU を搭載したものが製品化され、GPU を用いた並列計算環境を整えることが容易となっている。表 1 と図 4 に CPU と GPU による並列計算の条件と、再構成イメージサイズに対する計算時間のグラフを示す。TFM 再構成処理に関する課
題は GPU を用いた並列計算の実行によって解決ができる。

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映像情報インダストリアル 原稿（2016 年 7 月号） ディービー㈱表 1 CPU と GPU による計算条件と構成
並列計算
計算環境
ハードウエア
実行内容
CPU 1 スレッド
並列計算なしIntel®coreTM i74910MQ
再構成イメージ
CPU 並列計算
8 コア(OpenMP®)M スレッド分割
NVIDIA®
スレッド毎
GPU 並列計算
Quadro® K2100M(NVIDIA® CUDATM)
1 ピクセル576 コア

図 4 CPU と GPU の計算時間の比較

4 開口合成法の利点
従来のフェーズドアレイ超音波探傷試験法での方位分解能は探触子の周波数と開口に依存するため、分解能を向上させるには探傷周波数を高くする、あるいは探触子の開口を大きくする必要があった。開口合成法では単素子送信の広い指向角での超音波伝搬によって得られる反射源の多重化と全素子受信による大きな開口の効果によって、方位分解能と遠距離分解能の向上が得られる。図 5 に Advanced OEM
Solution NDT 社製フルパラレル超音波探傷装置とアレイ型探触子、及び 1mm 径の人工キズを付与したアルミニウム合金製テストブロックを示す。アレイ型探触子は周波数 5 MHz、素子ピッチ 1.0 mm、素子数64 である。図 6 にはフェーズドアレイ法と開口合成法による取得イメージの比較を示した。開口合成法ではフェーズドアレイ法に比較して方位分解能と遠距離分解能が向上していることが確認できる。

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映像情報インダストリアル 原稿（2016 年 7 月号） ディービー㈱図 5 超音波探傷装置、アレイ型探触子及びアルミニウム合金製テストブロック

(a)

(b)

フェーズドアレイ法

開口合成法図 6 フェーズドアレイ法と開口合成法による取得イメージの比較(a) アパチャー16 素子 49 ステップによるリニアスキャン法(b) 64 素子 4096 サイクルによるマルチスタティック法

5. 結言
アレイ型超音波探触子を用いたリアルタイム開口合成法をフィールドで適用するためには、A-スキャ
ンデータ転送速度と TFM 再構成処理時間の二つ課題を解決する必要があった。前者は高速データ転送に対応した機器を選択することで解決ができる。また、後者はラップトップ PC に搭載する GP-GPU でのNVIDIA® CUDATM 環境による並列計算によって解決ができる。今後は開口合成法の特長である方位分解能を生かすことができる具体的なアプリケーションの開発を進めていく。
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