超音波計測方法および超音波計測装置
【課題】残響ノイズが低減されたＳ／Ｎ比の高いエコー信号を得ること。
【解決手段】超音波プローブ２から被検体に対して超音波を送信し、超音波プローブ２が該被検体からのエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得部３と、超音波プローブ２が生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得部９ａと、前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、超音波プローブ２による前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成部４と、前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去部５と、を備える。
【解決手段】超音波プローブ２から被検体に対して超音波を送信し、超音波プローブ２が該被検体からのエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得部３と、超音波プローブ２が生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得部９ａと、前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、超音波プローブ２による前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成部４と、前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去部５と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて被検体の欠陥または構造等を計測する超音波計測方法および超音波計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波を用いて被検体の欠陥または構造等を非破壊計測する超音波計測方法が提案されている。この超音波計測方法では、一般に、鋼管または鋼板等の被検体に超音波探触子（超音波プローブ）を接触させた状態で被検体に対して超音波を送信し、被検体からのエコー信号を受信することによって、被検体の傷等の欠陥または被検体の肉厚等の構造を計測する。この被検体からのエコー信号には、ノイズが含まれるため、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得られることができず、精度の高い超音波計測を行うことができない場合があった。
【０００３】
このため、特許文献１では、同一条件による超音波の送受信を被検体に対して複数回行い、被検体から得られた複数の各信号を、送信タイミングに同期させて加算する処理を行うようにしている。この場合、エコー信号は、送信タイミングに対して常に一定時間遅れたタイミングで取得されるため、ノイズが時間的にランダムである場合、高いＳ／Ｎ比をもつことになる。
【０００４】
また、特許文献２には、予測されるエコー信号を参照信号として用意し、その参照信号と計測信号との相関演算を行うようにしている。この場合、参照信号と高い相関をもつ実際のエコー信号が強調され、参照信号との相関が低いノイズが低減されるため、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得ることができる。
【０００５】
さらに、特許文献３では、エコー信号とノイズの周波数分布との違いを利用し、ノイズに多く含まれ、かつエコー信号には、あまり含まれない周波数帯域をカットするようにしている。この結果、エコー信号からノイズが有効に除去され、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２９４４９８号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１３２１号公報
【特許文献３】特開２００４−３３３２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に記載されたものは、同期加算によってノイズを低減する方法であり、電気ノイズなどの時間的にランダムに現れるノイズの低減には有効であるが、超音波プローブから被検体に送信した超音波の残響である残響ノイズは、被検体からのエコー信号と同期するノイズであるため、同期加算処理を行っても低減することができず、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得ることは困難である。
【０００８】
また、特許文献２に記載されたものは、マッチドフィルタを用いてノイズを低減する方法であり、超音波を送信した被検体から得られるエコー信号の信号波形を予測して、このエコー信号と同等の参照信号を予め用意する必要があるとともに、後方散乱波計測等、得られるエコー信号の予測が難しい被検体に対しては適用が困難である。しかも、残響ノイズは、参照信号との相関が大きいため、特許文献１と同様に、残響ノイズが低減されたエコー信号を得ることは困難である。
【０００９】
さらに、特許文献３に記載されたものは、周波数フィルタを用いてノイズを低減する方法であり、超音波を送信した被検体から得られるエコー信号の周波数帯域を予測して、フィルタリング処理のフィルタ特性を予め設定しなければならず、この周波数帯域の予測が困難な場合、特許文献２と同様に、たとえば、後方散乱波計測等には適用が困難である。しかも、残響ノイズの周波数帯域はエコー信号の周波数帯域に重なってしまうため、残響ノイズが低減されたエコー信号を得ることは困難である。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、残響ノイズが低減されたＳ／Ｎ比の高いエコー信号を得ることができる超音波計測方法および超音波計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波計測方法は、超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体からのエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得ステップと、前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得ステップと、前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成ステップと、前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ生成ステップは、前記エコー信号を含む計測信号に含まれる、前記被検体からの反射超音波及び散乱超音波を受信する前の時間領域の一部または全部、あるいは後の時間領域の一部または全部、あるいは前および後の時間領域の一部または全部の計測信号と前記参照ノイズ信号と比較して、前記適応参照ノイズ信号を生成することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ信号取得ステップは、前記超音波プローブから超音波の送受信を行うことによって前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ信号取得ステップは、前記被検体からの反射超音波および／または散乱超音波が観測されないように前記超音波プローブを配置して前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ信号取得ステップは、被検体内部に欠陥のない被検体に超音波が送信されるように前記超音波プローブを配置して前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ信号取得ステップは、前記超音波プローブを前記被検体に対して相対的に移動させながら計測し、前記被検体の複数の位置での計測結果を平均処理することによって前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記被検体からのエコー信号は、前記被検体内部の欠陥からの反射である後方散乱波であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる超音波計測装置は、超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体から反射したエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得部と、前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得部と、前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成部と、前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去部と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかる超音波計測装置は、上記の発明において、前記ノイズ生成部は、前記エコー信号に含まれる、前記被検体からの反射超音波及び散乱超音波を含む計測信号を受信する前の時間領域の一部または全部、あるいは後の時間領域の一部または全部、あるいは前および後の時間領域の一部または全部の計測信号と前記参照ノイズ信号と比較して、前記適応参照ノイズ信号を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体からのエコー信号を含む計測信号を受信するとともに、前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得し、前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成し、前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するようにしているので、残響ノイズが低減されたＳ/Ｎ比の高いエコー信号を得ることができ、この結果、従来、超音波計測が困難であった微小欠陥や微小構造などの計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる超音波計測装置の構成を模式的に示したブロック図である。
【図２】図２は、超音波計測装置による超音波計測処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、超音波の送受信によって計測される被検体の計測信号の一例を示す波形図である。
【図４】図４は、超音波の参照ノイズ信号の一例を示す波形図である。
【図５】図５は、適応参照ノイズ信号の一例を示す波形図である。
【図６】図６は、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去して得られるエコー信号を示す波形図である。
【図７】図７は、超音波の送受信によって被検体の計測信号を取得する状態を示す模式図である。
【図８】図８は、被検体を配置しないで参照ノイズ信号を取得する状態を示す模式図である。
【図９】図９は、欠陥部のない基準被検体を用いて参照ノイズ信号を取得する状態を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２による超音波計測の状態を示す模式図である。
【図１１】図１１は、実施例による計測信号の一例を示す波形図である。
【図１２】図１２は、実施例による参照ノイズ信号の一例を示す波形図である。
【図１３】図１３は、実施例による、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去したエコー信号の一例を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明にかかる超音波計測方法および超音波計測装置の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる超音波計測装置の構成を模式的に示したブロック図である。図１に示すように、この超音波計測装置１０は、被検体の欠陥または構造を非破壊計測するための超音波を送信し、この送信した超音波に起因する超音波信号（計測信号）を受信する計測信号取得部１と、この計測信号に含まれる残響ノイズに近似する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成部４と、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去部５とを有する。また、超音波計測装置１０は、各種情報を入力する入力部６と、被検体の計測データ等を記憶する記憶部７と、被検体の計測結果等を表示する表示部８と、超音波計測装置１０の各構成部を制御する制御部９とを有する。
【００２４】
計測信号取得部１は、送受信部３から送信された電気信号の超音波信号を、超音波プローブ２から、外部に超音波を送信し、この超音波プローブ２で受信した超音波を電気信号の超音波信号である計測信号として送受信部３に出力する。超音波プローブ２は、圧電振動子等を用いて実現され、送受信部３からのパルス信号の印加によって超音波を外部に送信し、外部からの超音波を受波して電気信号に変換する。送受信部３は、超音波プローブ２の共振周波数またはその近傍の周波数のパルス信号を超音波プローブ２に印加することによって超音波プローブ２から超音波を外部に出力する。
【００２５】
ノイズ生成部４は、受信した計測信号に含まれ被検体に送信した超音波に同期する残響ノイズに近似する適応参照ノイズ信号を生成する。この適応参照ノイズ信号は、少なくともエコー信号を受信する時間領域での残響ノイズに近似する信号であり、制御部９内のノイズ信号取得部９ａが別途取得した参照ノイズ信号と、計測信号におけるエコー信号を受信しない時間領域の信号とを用いて求められる。
【００２６】
ノイズ除去部５は、計測信号取得部１が取得した計測信号から、ノイズ生成部４が生成した適応参照ノイズ信号を減算することによって、計測信号内の残響ノイズをほとんど除去し、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を出力する。なお、ノイズ除去部５は、計測信号内に含まれる残響ノイズ以外のノイズを除去するために同期加算処理などの信号処理を施してノイズ除去を行うことが好ましい。
【００２７】
入力部６は、電源スイッチおよび入力キー等の入力デバイスを用いて実現される。また、入力部６は、操作者による入力操作に対応して、制御部９に対して各種指示情報を入力する。例えば、入力部６は、被検体の計測開始または計測終了等の指示情報、被検体の計測データの表示または記憶を指示する指示情報等を制御部９に入力する。
【００２８】
記憶部７は、ハードディスク等の記憶メディアを用いて実現され、制御部９によって指示された被検体の計測データ等の各種情報を記憶する。
【００２９】
表示部８は、液晶ディスプレイ等の表示デバイスを用いて実現され、制御部９によって表示指示された各種情報を表示する。具体的には、表示部８は、超音波計測による被検体の計測データ（例えば、微小傷等の欠陥情報、肉厚等の構造情報等）を表示する。また、表示部８は、計測対象の被検体から得られたエコー信号の波形情報等を表示してもよい。
【００３０】
制御部９は、参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得部９ａを有するとともに、上述した超音波計測装置１０の各構成部を制御する。具体的には、制御部９は、処理プログラム等を記憶したメモリおよび処理プログラムを実行するＣＰＵ等を用いて実現される。制御部９は、入力部６によって入力された指示情報に基づいて、上述した計測信号取得部１、ノイズ生成部４、ノイズ除去部５、記憶部７、および表示部８の各動作タイミング等を制御する。
【００３１】
ここで、図２に示したフローチャートを参照して、超音波計測装置１０による超音波計測処理手順について説明する。図２において、まず、制御部９は、被検体に対する超音波計測指示入力があったか否かを判断する（ステップＳ１０１）。
【００３２】
制御部９は、超音波計測指示入力があった場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）のみ、超音波プローブ２を用いた超音波計測を開始する。すなわち、制御部９は、計測信号取得部１を制御して、被検体に対して超音波を照射し、この被検体からの超音波信号を含む計測信号を取得するとともに、制御部９内のノイズ信号取得部９ａは、記憶部７に予め格納され、あるいは直前に計測された参照ノイズ信号を取得する（ステップＳ１０２）。
【００３３】
その後、ノイズ生成部４は、エコー信号が含まれない時間領域の計測信号内の残響ノイズである計測信号と参照ノイズ信号とをもとに、少なくともエコー信号が含まれる時間領域内の残響ノイズの振幅、位相に近似する信号である適応参照ノイズ信号を生成する（ステップＳ１０３）。
【００３４】
その後、ノイズ除去部５は、計測信号から、ノイズ生成部４が生成した適応参照ノイズ信号を減算し、計測信号内の残響ノイズをほぼ除去する（ステップＳ１０４）。
【００３５】
その後、この残響ノイズがほぼ除去されたエコー信号を用いた計測処理を行う（ステップＳ１０５）。たとえば、被検体内に存在する欠陥の形状および大きさ等の欠陥情報、肉厚および内部形状等の構造情報を取得する処理を行う。その後、終了指示がない場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を繰り返し、終了指示があった場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、本処理を終了する。
【００３６】
ここで、さらに具体的な信号波形を参照して、上述した残響ノイズ除去処理について説明する。図３は、計測信号取得部１が取得した計測信号ｙ（ｔ）を示している。この計測信号ｙ（ｔ）は、任意の時間ｔ1から時間ｔ4までの期間に取得した信号であり、この計測信号ｙ（ｔ）の時間ｔ２から時間ｔ３の間の時間領域Δｔｂに被検体からのエコー信号ｓ（ｔ）が含まれる。
【００３７】
すなわち、計測信号ｙ（ｔ）は、エコー信号ｓ（ｔ）と、残響ノイズｎ（ｔ）とを重ね合わせた信号であり、次式（１）で表される。なお、計測信号ｙ（ｔ）には、残響ノイズｎ（ｔ）以外のノイズ信号が含まれるが、同期加算処理などの信号処理によって除去することができるため、このノイズ信号は含めていない。
ｙ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｎ（ｔ） （ｔ1≦ｔ≦ｔ4） …（１）
【００３８】
ところで、時間ｔ1から時間ｔ2までの時間領域△ｔaおよび時間ｔ3から時間ｔ4までの時間領域△ｔcには、エコー信号ｓ（ｔ）が含まれていないため、計測信号ｙ（ｔ）は、次式（２）で表される。
ｙ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｎ（ｔ） （ｔ２≦ｔ≦ｔ３）
ｙ（ｔ）＝ｎ（ｔ） （ｔ１≦ｔ≦ｔ２，ｔ３≦ｔ≦ｔ４）
…（２）
【００３９】
ここで、残響ノイズｎ（ｔ）は、超音波の残響という現象、すなわち、超音波プローブ２の内外における音響的残響、送受信部３におけるインピーダンスミスマッチによる電気的残響等に基づいている。一方、振幅または位相等の残響ノイズｎ（ｔ）の特性は、温度等の環境によって変化する。このため、残響ノイズｎ（ｔ）は、経時的に再現性を有するが、完全には一定にはならず、経時的に相似した信号となる。
【００４０】
残響ノイズｎ（ｔ）は、超音波プローブ２から送信された超音波に起因するため、図４に示すように、この超音波の周波数等に同期する、残響ノイズｎ（ｔ）の基準となる参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を予め取得しておく。この参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、超音波プローブ２を用いた計測によって予め求めておいてもよいし、モデル化した波形を用いてもよいし、シミュレーションによって求めておいてもよい。ここで参照ノイズ信号ｎref(t)を計測で求めるとき、超音波プローブは実計測に用いるプローブと同じものを使うのが望ましい。
【００４１】
ノイズ生成部４は、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）の時間を計測信号ｙ（ｔ）に対応させておき、計測信号ｙ（ｔ）の時間領域Δｔａ，Δｔｃの計測信号（残響ノイズｎ（ｔ））と、時間領域Δｔａ，Δｔｃの参照ノイズ信号ｎref（ｔ）とを比較し、時間領域Δｔａ，Δｔｃの計測信号ｙ（ｔ）が再現できるように、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）の変調パラメータ（振幅変調量Ａ（ｔ）と位相変調量ｄ（ｔ））とを次式（３）によって求める。
ｙ(ｔ)＝ｎ（ｔ） （ｔ1≦ｔ≦ｔ2、ｔ3≦ｔ≦ｔ4）
＝Ａ(ｔ)×ｎref(ｔ＋ｄ(ｔ)） （ｔ1≦ｔ≦ｔ2、ｔ3≦ｔ≦ｔ4） …（３）
【００４２】
そして、ノイズ生成部４は、この式（３）によって求められた時間領域Δｔａ，Δｔｃの計測信号ｙ（ｔ）を用いて、次式（４）に示すように、時間領域Δｔｂをさらに補間した適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を算出する（図５参照）。
ｎref（ｔ）´＝Ａ(ｔ)×ｎref(ｔ＋ｄ(ｔ)） （ｔ1≦ｔ≦ｔ４）…（４）
【００４３】
その後、ノイズ除去部５は、式（１）に示した計測信号ｙ（ｔ）から式（４）に示した適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を減算し（式（５）参照）、図６に示すように、エコー信号ｓ（ｔ）を高いＳ／Ｎ比で出力する。なお、残響ノイズｎ（ｔ）と適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´とは位相と振幅とが近似するため、計測信号ｙ（ｔ）から残響ノイズｎ（ｔ）が殆ど除去されることになる。
ｓ（ｔ）＝ｙ（ｔ）−ｎ（ｔ）
≒ｙ（ｔ）−ｎref（ｔ）´ （ｔ1≦ｔ≦ｔ4） …（５）
【００４４】
なお、上述した実施の形態１では、計測信号ｙ（ｔ）の時間領域Δｔａ，Δｔｃの信号（残響ノイズｎ（ｔ））と、時間領域Δｔａ，Δｔｃの参照ノイズ信号ｎref（ｔ）とを比較して適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を求めていたが、これに限らず、時間領域Δｔａ，Δｔｃの全てではなく、時間領域Δｔａあるいは時間領域Δｔｃの一方のみを比較して適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を求めてもよいし、時間領域Δｔａあるいは時間領域Δｔｃの一部のみを比較して適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を求めてもよい。
【００４５】
（参照ノイズ信号の取得例１）
ここで、計測による参照ノイズ信号ｎref（ｔ）の具体的な取得処理について説明する。まず、図７に示すように、超音波計測装置１０による超音波計測は、鋼材などの被検体１５に対して水浸法を用いて行われる。超音波計測装置１０は、計測に用いる超音波の参照ノイズ信号ｎref（ｔ）と、被検体１５に対する計測信号ｙ（ｔ）とを取得する。超音波プローブ２は、まず、被検体１５との間で、水等の音響接触触媒に接触した状態にされ、その後、この状態で超音波計測が行われる。ここで、超音波プローブ２は、被検体１５以外の外部に対しても超音波の送受信を行うため、上述したように、計測信号ｙ（ｔ）内に残響ノイズｎ（ｔ）が含まれる。
【００４６】
参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、表面エコーや欠陥部１５ａからのエコー（反射超音波および／または散乱超音波）であるエコー信号ｓ（ｔ）がない状態で計測すればよく、この参照ノイズ信号の取得例１では、図８に示すように、被検体１５を設けず、エコー信号ｓ（ｔ）のない状態で計測することによって、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を得るようにしている。
【００４７】
もちろん、この場合、超音波プローブ２が送受信する周波数や時間長は、エコー信号ｓ（ｔ）を取得する超音波計測時と同じ条件であることが好ましい。特に、音響接触媒体である水の温度などを超音波計測時と同じ条件とすることが好ましい。
【００４８】
このようにして得られる参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、超音波計測直前に超音波計測の一連の処理によって求めてもよいし、同一条件での超音波計測が繰り返し行われる場合には、記憶部７内に予め保持しておくようにしてもよい。
【００４９】
（参照ノイズ信号の取得例２）
つぎに、参照ノイズ信号の取得例２について説明する。この取得例２では、図９に示すように、欠陥部１５ａのない正常な被検体である基準被検体１６を専用の試験片として用い、この基準被検体１６に対する超音波計測を行うことによって、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を求めるようにしている。
【００５０】
この場合、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）には、残響ノイズｎ（ｔ）とともに表面エコーが含まれるが、この表面エコーは、超音波計測には不必要なノイズである。したがって、表面エコー成分を参照ノイズ信号ｎref（ｔ）の成分として含めることによって、超音波計測時に、欠陥部１５ａからの所望のエコー信号ｓ（ｔ）を一層高いＳ／Ｎ比で得ることができる。
【００５１】
また、この取得例２では、取得例１に比して、一層被検体１５に対する実計測に近い条件で行うことができるという利点がある。
【００５２】
この実施の形態１は、参照ノイズ信号を用いて、被検体からの計測信号に含まれる残響ノイズに対応した適応参照ノイズ信号を生成し、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去することによって、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得ることができる。この結果、被検体の欠陥情報および構造情報等を一層高精度に非破壊計測することができる。
【００５３】
（実施の形態２）
この実施の形態２では、参照ノイズ信号の取得を別途行わず、超音波計測内で参照ノイズ信号の取得を含めて欠陥部１５ａの検出を行うようにしている。
【００５４】
まず、この実施の形態２では、図１０に示すように、超音波プローブ２が超音波の送受信を行いつつ、被検体１５を超音波プローブ２に対して相対的に移動させ、被検体１５から複数の計測信号ｙi（ｔ）（ｉ＝１，２，３，…，Ｎ）を実測し、得られた複数の計測信号ｙi（ｔ）をもとに、被検体１５の欠陥部検出に適応する適応参照ノイズ信号を取得している。
【００５５】
図１０において、欠陥部１５ａが存在する位置Ｐ2が、超音波プローブ２による合計Ｎ回の相対的走査（計測）のうちのｋ回目の位置である場合、計測信号ｙi（ｔ）は、次式（５）、（６）によって表される。
ｙi（ｔ）＝ｓs,i（ｔ）＋ｎi（ｔ） （ｉ≠ｋ） …（６）
ｙk（ｔ）＝ｓs,k（ｔ）＋ｓd（ｔ）＋ｎk（ｔ） （ｉ＝ｋ） …（７）
【００５６】
なお、ｓs,i（ｔ）は、ｉ回目の計測時の表面エコー信号であり、ｎi（ｔ）は、ｉ回目の計測時の残響ノイズ信号である。また、ｓd（ｔ）は、ｋ回目の計測時のみに計測される欠陥エコー信号である。
【００５７】
ここで、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、取得した合計Ｎ回分の計測信号ｙ1（ｔ），…，ｙi（ｔ），…，ｙN（ｔ）をもとに、次式（８）に基づいて、近似的に算出される。
【数１】
【００５８】
なお、上式（８）において、ｓs（ｔ）は、合計Ｎ回の計測分の表面エコー信号を平均化した平均の表面エコー信号であり、ｎs（ｔ）は、合計Ｎ回の計測分の平均の残響ノイズ信号である。
【００５９】
ノイズ生成部４は、上式（８）に基づいて算出した参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を用いて、ｉ回目の計測信号ｙi（ｔ）に適応した適応参照ノイズ信号ｎ´ref,i（ｔ）を実施の形態１と同様にして生成する。その後、ノイズ除去部５は、計測信号ｙi（ｔ）から適応参照ノイズ信号ｎ´ref,i（ｔ）を減算し、次式（９）に示すエコー信号ｓ´ｉ（ｔ）を得る。
【数２】
【００６０】
したがって、被検体１５の計測回数の合計Ｎ回が３以上（Ｎ≧３）である場合、より一般的には、欠陥エコーが同位相で検出されている計測信号が全体の１／３以下である場合、エコー信号ｓ´ｉ（ｔ）の絶対値は、次式（１０）のようになる。
｜ｓ´ｉ（ｔ）｜＜｜ｓ´ｋ（ｔ）｜ （ｉ≠ｋ） …（１０）
このため、超音波計測装置１０は、式（１０）に基づいて、被検体１５の欠陥エコーの有無を検出することができる。
【００６１】
この実施の形態２では、被検体の計測信号とは別に参照ノイズ信号を実測する必要がなく、これによって、超音波の参照ノイズ信号を実測する手間および時間を省くことができ、この結果、一層短時間且つ容易に高Ｓ／Ｎ比のエコー信号を取得することができる。
【００６２】
また、被検体内部に存在する欠陥部の位置の近傍を走査して計測信号を取得するので、参照ノイズ信号の経時変化および計測位置に応じた変化を低減することができ、これによって、時間または計測位置等の計測環境の要因に追従した参照ノイズ信号を取得することができる。
【００６３】
（実施例）
つぎに、上述した実施の形態１に対応する実施例について説明する。この実施例における超音波プローブ２は、公称周波数を７５ＭＨｚに設定している。また、超音波プローブ２の振動子直径は３ｍｍであり、超音波プローブ２の焦点距離は１０ｍｍである。このような超音波プローブ２を備えた超音波計測装置１０を用い、水浸法によって被検体１５に超音波を斜角入射し、被検体１５の超音波計測を６．０μ秒間行った。
【００６４】
なお、この実施例における超音波計測方法では、被検体１５として、厚さ２．６ｍｍの鋼板を用いている。また、この被検体１５である鋼板は、水等の音響接触触媒に全没または局部的に水没させた状態にしている。
【００６５】
この実施例にかかる超音波計測方法によって、超音波計測装置１０は、図１１に示すような波形の計測信号ｙ（ｔ）を取得した。詳細には、超音波計測装置１０は、時間ｔ＝１．１μ秒から時間ｔ＝２．０μ秒の間に、この鋼板の表面散乱波を計測した。また、超音波計測装置１０は、時間ｔ＝２．０μ秒から時間ｔ＝３．２μ秒の間に、この鋼板の内部からの後方散乱波を計測した（図１１に示す矩形枠内を参照）。
【００６６】
一方、残響ノイズの基準信号である参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、上述したように、実際に超音波を送受信することによって予め計測した。この結果、超音波計測装置１０は、図１２に示すような波形の参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を取得した。
【００６７】
なお、この実施例における超音波計測方法では、超音波計測装置１０は、被検体１５である鋼板の計測信号ｙ（ｔ）および参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を取得した後、同期加算平均処理を行って、この計測信号ｙ（ｔ）および参照ノイズ信号ｎref（ｔ）から電気ノイズ等の非残響ノイズ成分を除去した。
【００６８】
その後、超音波計測装置１０は、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）をもとに、この鋼板の計測信号ｙ（ｔ）のうち、エコー信号を受信しない時間領域の波形と、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）とを比較し、適応参照ノイズ信号ｎ´ref（ｔ）を生成し、計測信号ｙ（ｔ）から適応参照ノイズ信号ｎ´ref（ｔ）を減算して除去した。この結果は、図１３に示すような波形となり、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号ｓ（ｔ）を取得することができた。
【００６９】
ここで、鋼板の計測信号ｙ（ｔ）の波形（図１１参照）とエコー信号ｓ（ｔ）の波形（図１３参照）とを比較した場合、鋼板の表面散乱波と後方散乱波とが計測された時間領域（図１１，１３の矩形枠内の時間領域）では、残響ノイズ除去処理の前後において、ピークおよび振幅等の波形特性が略維持されている。一方、この時間領域以外（図１１，１３の矩形枠外の時間領域）では、振幅が低減している。このため、被検体１５である鋼板の計測時間において、この鋼板からのエコー信号ｓ（ｔ）の信号レベルを維持しつつ、残響ノイズを除去できたことがわかる。
【００７０】
なお、上述した実施の形態では、同期加算平均処理によって被検体の計測信号内の電気ノイズ等の非残響ノイズ成分を除去していたが、これに限らず、同期加算平均処理以外の方法、例えば、マッチドフィルタを用いた方法によって非残響ノイズ成分を除去してもよいし、周波数帯域のフィルタリング処理による方法によって非残響ノイズ成分を除去してもよい。
【００７１】
さらに、上述した実施の形態では、被検体の計測に用いる実際の超音波に基づいてモデル化した波形の参照ノイズ信号を予め準備していたが、これに限らず、数値シミュレーションによってモデル化した波形の参照ノイズ信号を用いてもよいし、適切な論理式に基づいて導出した参照ノイズ信号を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１ 計測信号取得部
２ 超音波プローブ
３ 送受信部
４ ノイズ生成部
５ ノイズ除去部
６ 入力部
７ 記憶部
８ 表示部
９ 制御部
９ａ ノイズ信号取得部
１０ 超音波計測装置
１５ 被検体
１５ａ 欠陥部
１６ 基準被検体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて被検体の欠陥または構造等を計測する超音波計測方法および超音波計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波を用いて被検体の欠陥または構造等を非破壊計測する超音波計測方法が提案されている。この超音波計測方法では、一般に、鋼管または鋼板等の被検体に超音波探触子（超音波プローブ）を接触させた状態で被検体に対して超音波を送信し、被検体からのエコー信号を受信することによって、被検体の傷等の欠陥または被検体の肉厚等の構造を計測する。この被検体からのエコー信号には、ノイズが含まれるため、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得られることができず、精度の高い超音波計測を行うことができない場合があった。
【０００３】
このため、特許文献１では、同一条件による超音波の送受信を被検体に対して複数回行い、被検体から得られた複数の各信号を、送信タイミングに同期させて加算する処理を行うようにしている。この場合、エコー信号は、送信タイミングに対して常に一定時間遅れたタイミングで取得されるため、ノイズが時間的にランダムである場合、高いＳ／Ｎ比をもつことになる。
【０００４】
また、特許文献２には、予測されるエコー信号を参照信号として用意し、その参照信号と計測信号との相関演算を行うようにしている。この場合、参照信号と高い相関をもつ実際のエコー信号が強調され、参照信号との相関が低いノイズが低減されるため、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得ることができる。
【０００５】
さらに、特許文献３では、エコー信号とノイズの周波数分布との違いを利用し、ノイズに多く含まれ、かつエコー信号には、あまり含まれない周波数帯域をカットするようにしている。この結果、エコー信号からノイズが有効に除去され、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２９４４９８号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１３２１号公報
【特許文献３】特開２００４−３３３２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に記載されたものは、同期加算によってノイズを低減する方法であり、電気ノイズなどの時間的にランダムに現れるノイズの低減には有効であるが、超音波プローブから被検体に送信した超音波の残響である残響ノイズは、被検体からのエコー信号と同期するノイズであるため、同期加算処理を行っても低減することができず、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得ることは困難である。
【０００８】
また、特許文献２に記載されたものは、マッチドフィルタを用いてノイズを低減する方法であり、超音波を送信した被検体から得られるエコー信号の信号波形を予測して、このエコー信号と同等の参照信号を予め用意する必要があるとともに、後方散乱波計測等、得られるエコー信号の予測が難しい被検体に対しては適用が困難である。しかも、残響ノイズは、参照信号との相関が大きいため、特許文献１と同様に、残響ノイズが低減されたエコー信号を得ることは困難である。
【０００９】
さらに、特許文献３に記載されたものは、周波数フィルタを用いてノイズを低減する方法であり、超音波を送信した被検体から得られるエコー信号の周波数帯域を予測して、フィルタリング処理のフィルタ特性を予め設定しなければならず、この周波数帯域の予測が困難な場合、特許文献２と同様に、たとえば、後方散乱波計測等には適用が困難である。しかも、残響ノイズの周波数帯域はエコー信号の周波数帯域に重なってしまうため、残響ノイズが低減されたエコー信号を得ることは困難である。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、残響ノイズが低減されたＳ／Ｎ比の高いエコー信号を得ることができる超音波計測方法および超音波計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波計測方法は、超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体からのエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得ステップと、前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得ステップと、前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成ステップと、前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ生成ステップは、前記エコー信号を含む計測信号に含まれる、前記被検体からの反射超音波及び散乱超音波を受信する前の時間領域の一部または全部、あるいは後の時間領域の一部または全部、あるいは前および後の時間領域の一部または全部の計測信号と前記参照ノイズ信号と比較して、前記適応参照ノイズ信号を生成することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ信号取得ステップは、前記超音波プローブから超音波の送受信を行うことによって前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ信号取得ステップは、前記被検体からの反射超音波および／または散乱超音波が観測されないように前記超音波プローブを配置して前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ信号取得ステップは、被検体内部に欠陥のない被検体に超音波が送信されるように前記超音波プローブを配置して前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記ノイズ信号取得ステップは、前記超音波プローブを前記被検体に対して相対的に移動させながら計測し、前記被検体の複数の位置での計測結果を平均処理することによって前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる超音波計測方法は、上記の発明において、前記被検体からのエコー信号は、前記被検体内部の欠陥からの反射である後方散乱波であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる超音波計測装置は、超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体から反射したエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得部と、前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得部と、前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成部と、前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去部と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかる超音波計測装置は、上記の発明において、前記ノイズ生成部は、前記エコー信号に含まれる、前記被検体からの反射超音波及び散乱超音波を含む計測信号を受信する前の時間領域の一部または全部、あるいは後の時間領域の一部または全部、あるいは前および後の時間領域の一部または全部の計測信号と前記参照ノイズ信号と比較して、前記適応参照ノイズ信号を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体からのエコー信号を含む計測信号を受信するとともに、前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得し、前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成し、前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するようにしているので、残響ノイズが低減されたＳ/Ｎ比の高いエコー信号を得ることができ、この結果、従来、超音波計測が困難であった微小欠陥や微小構造などの計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる超音波計測装置の構成を模式的に示したブロック図である。
【図２】図２は、超音波計測装置による超音波計測処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、超音波の送受信によって計測される被検体の計測信号の一例を示す波形図である。
【図４】図４は、超音波の参照ノイズ信号の一例を示す波形図である。
【図５】図５は、適応参照ノイズ信号の一例を示す波形図である。
【図６】図６は、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去して得られるエコー信号を示す波形図である。
【図７】図７は、超音波の送受信によって被検体の計測信号を取得する状態を示す模式図である。
【図８】図８は、被検体を配置しないで参照ノイズ信号を取得する状態を示す模式図である。
【図９】図９は、欠陥部のない基準被検体を用いて参照ノイズ信号を取得する状態を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２による超音波計測の状態を示す模式図である。
【図１１】図１１は、実施例による計測信号の一例を示す波形図である。
【図１２】図１２は、実施例による参照ノイズ信号の一例を示す波形図である。
【図１３】図１３は、実施例による、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去したエコー信号の一例を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明にかかる超音波計測方法および超音波計測装置の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる超音波計測装置の構成を模式的に示したブロック図である。図１に示すように、この超音波計測装置１０は、被検体の欠陥または構造を非破壊計測するための超音波を送信し、この送信した超音波に起因する超音波信号（計測信号）を受信する計測信号取得部１と、この計測信号に含まれる残響ノイズに近似する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成部４と、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去部５とを有する。また、超音波計測装置１０は、各種情報を入力する入力部６と、被検体の計測データ等を記憶する記憶部７と、被検体の計測結果等を表示する表示部８と、超音波計測装置１０の各構成部を制御する制御部９とを有する。
【００２４】
計測信号取得部１は、送受信部３から送信された電気信号の超音波信号を、超音波プローブ２から、外部に超音波を送信し、この超音波プローブ２で受信した超音波を電気信号の超音波信号である計測信号として送受信部３に出力する。超音波プローブ２は、圧電振動子等を用いて実現され、送受信部３からのパルス信号の印加によって超音波を外部に送信し、外部からの超音波を受波して電気信号に変換する。送受信部３は、超音波プローブ２の共振周波数またはその近傍の周波数のパルス信号を超音波プローブ２に印加することによって超音波プローブ２から超音波を外部に出力する。
【００２５】
ノイズ生成部４は、受信した計測信号に含まれ被検体に送信した超音波に同期する残響ノイズに近似する適応参照ノイズ信号を生成する。この適応参照ノイズ信号は、少なくともエコー信号を受信する時間領域での残響ノイズに近似する信号であり、制御部９内のノイズ信号取得部９ａが別途取得した参照ノイズ信号と、計測信号におけるエコー信号を受信しない時間領域の信号とを用いて求められる。
【００２６】
ノイズ除去部５は、計測信号取得部１が取得した計測信号から、ノイズ生成部４が生成した適応参照ノイズ信号を減算することによって、計測信号内の残響ノイズをほとんど除去し、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を出力する。なお、ノイズ除去部５は、計測信号内に含まれる残響ノイズ以外のノイズを除去するために同期加算処理などの信号処理を施してノイズ除去を行うことが好ましい。
【００２７】
入力部６は、電源スイッチおよび入力キー等の入力デバイスを用いて実現される。また、入力部６は、操作者による入力操作に対応して、制御部９に対して各種指示情報を入力する。例えば、入力部６は、被検体の計測開始または計測終了等の指示情報、被検体の計測データの表示または記憶を指示する指示情報等を制御部９に入力する。
【００２８】
記憶部７は、ハードディスク等の記憶メディアを用いて実現され、制御部９によって指示された被検体の計測データ等の各種情報を記憶する。
【００２９】
表示部８は、液晶ディスプレイ等の表示デバイスを用いて実現され、制御部９によって表示指示された各種情報を表示する。具体的には、表示部８は、超音波計測による被検体の計測データ（例えば、微小傷等の欠陥情報、肉厚等の構造情報等）を表示する。また、表示部８は、計測対象の被検体から得られたエコー信号の波形情報等を表示してもよい。
【００３０】
制御部９は、参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得部９ａを有するとともに、上述した超音波計測装置１０の各構成部を制御する。具体的には、制御部９は、処理プログラム等を記憶したメモリおよび処理プログラムを実行するＣＰＵ等を用いて実現される。制御部９は、入力部６によって入力された指示情報に基づいて、上述した計測信号取得部１、ノイズ生成部４、ノイズ除去部５、記憶部７、および表示部８の各動作タイミング等を制御する。
【００３１】
ここで、図２に示したフローチャートを参照して、超音波計測装置１０による超音波計測処理手順について説明する。図２において、まず、制御部９は、被検体に対する超音波計測指示入力があったか否かを判断する（ステップＳ１０１）。
【００３２】
制御部９は、超音波計測指示入力があった場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）のみ、超音波プローブ２を用いた超音波計測を開始する。すなわち、制御部９は、計測信号取得部１を制御して、被検体に対して超音波を照射し、この被検体からの超音波信号を含む計測信号を取得するとともに、制御部９内のノイズ信号取得部９ａは、記憶部７に予め格納され、あるいは直前に計測された参照ノイズ信号を取得する（ステップＳ１０２）。
【００３３】
その後、ノイズ生成部４は、エコー信号が含まれない時間領域の計測信号内の残響ノイズである計測信号と参照ノイズ信号とをもとに、少なくともエコー信号が含まれる時間領域内の残響ノイズの振幅、位相に近似する信号である適応参照ノイズ信号を生成する（ステップＳ１０３）。
【００３４】
その後、ノイズ除去部５は、計測信号から、ノイズ生成部４が生成した適応参照ノイズ信号を減算し、計測信号内の残響ノイズをほぼ除去する（ステップＳ１０４）。
【００３５】
その後、この残響ノイズがほぼ除去されたエコー信号を用いた計測処理を行う（ステップＳ１０５）。たとえば、被検体内に存在する欠陥の形状および大きさ等の欠陥情報、肉厚および内部形状等の構造情報を取得する処理を行う。その後、終了指示がない場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を繰り返し、終了指示があった場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、本処理を終了する。
【００３６】
ここで、さらに具体的な信号波形を参照して、上述した残響ノイズ除去処理について説明する。図３は、計測信号取得部１が取得した計測信号ｙ（ｔ）を示している。この計測信号ｙ（ｔ）は、任意の時間ｔ1から時間ｔ4までの期間に取得した信号であり、この計測信号ｙ（ｔ）の時間ｔ２から時間ｔ３の間の時間領域Δｔｂに被検体からのエコー信号ｓ（ｔ）が含まれる。
【００３７】
すなわち、計測信号ｙ（ｔ）は、エコー信号ｓ（ｔ）と、残響ノイズｎ（ｔ）とを重ね合わせた信号であり、次式（１）で表される。なお、計測信号ｙ（ｔ）には、残響ノイズｎ（ｔ）以外のノイズ信号が含まれるが、同期加算処理などの信号処理によって除去することができるため、このノイズ信号は含めていない。
ｙ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｎ（ｔ） （ｔ1≦ｔ≦ｔ4） …（１）
【００３８】
ところで、時間ｔ1から時間ｔ2までの時間領域△ｔaおよび時間ｔ3から時間ｔ4までの時間領域△ｔcには、エコー信号ｓ（ｔ）が含まれていないため、計測信号ｙ（ｔ）は、次式（２）で表される。
ｙ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｎ（ｔ） （ｔ２≦ｔ≦ｔ３）
ｙ（ｔ）＝ｎ（ｔ） （ｔ１≦ｔ≦ｔ２，ｔ３≦ｔ≦ｔ４）
…（２）
【００３９】
ここで、残響ノイズｎ（ｔ）は、超音波の残響という現象、すなわち、超音波プローブ２の内外における音響的残響、送受信部３におけるインピーダンスミスマッチによる電気的残響等に基づいている。一方、振幅または位相等の残響ノイズｎ（ｔ）の特性は、温度等の環境によって変化する。このため、残響ノイズｎ（ｔ）は、経時的に再現性を有するが、完全には一定にはならず、経時的に相似した信号となる。
【００４０】
残響ノイズｎ（ｔ）は、超音波プローブ２から送信された超音波に起因するため、図４に示すように、この超音波の周波数等に同期する、残響ノイズｎ（ｔ）の基準となる参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を予め取得しておく。この参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、超音波プローブ２を用いた計測によって予め求めておいてもよいし、モデル化した波形を用いてもよいし、シミュレーションによって求めておいてもよい。ここで参照ノイズ信号ｎref(t)を計測で求めるとき、超音波プローブは実計測に用いるプローブと同じものを使うのが望ましい。
【００４１】
ノイズ生成部４は、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）の時間を計測信号ｙ（ｔ）に対応させておき、計測信号ｙ（ｔ）の時間領域Δｔａ，Δｔｃの計測信号（残響ノイズｎ（ｔ））と、時間領域Δｔａ，Δｔｃの参照ノイズ信号ｎref（ｔ）とを比較し、時間領域Δｔａ，Δｔｃの計測信号ｙ（ｔ）が再現できるように、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）の変調パラメータ（振幅変調量Ａ（ｔ）と位相変調量ｄ（ｔ））とを次式（３）によって求める。
ｙ(ｔ)＝ｎ（ｔ） （ｔ1≦ｔ≦ｔ2、ｔ3≦ｔ≦ｔ4）
＝Ａ(ｔ)×ｎref(ｔ＋ｄ(ｔ)） （ｔ1≦ｔ≦ｔ2、ｔ3≦ｔ≦ｔ4） …（３）
【００４２】
そして、ノイズ生成部４は、この式（３）によって求められた時間領域Δｔａ，Δｔｃの計測信号ｙ（ｔ）を用いて、次式（４）に示すように、時間領域Δｔｂをさらに補間した適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を算出する（図５参照）。
ｎref（ｔ）´＝Ａ(ｔ)×ｎref(ｔ＋ｄ(ｔ)） （ｔ1≦ｔ≦ｔ４）…（４）
【００４３】
その後、ノイズ除去部５は、式（１）に示した計測信号ｙ（ｔ）から式（４）に示した適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を減算し（式（５）参照）、図６に示すように、エコー信号ｓ（ｔ）を高いＳ／Ｎ比で出力する。なお、残響ノイズｎ（ｔ）と適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´とは位相と振幅とが近似するため、計測信号ｙ（ｔ）から残響ノイズｎ（ｔ）が殆ど除去されることになる。
ｓ（ｔ）＝ｙ（ｔ）−ｎ（ｔ）
≒ｙ（ｔ）−ｎref（ｔ）´ （ｔ1≦ｔ≦ｔ4） …（５）
【００４４】
なお、上述した実施の形態１では、計測信号ｙ（ｔ）の時間領域Δｔａ，Δｔｃの信号（残響ノイズｎ（ｔ））と、時間領域Δｔａ，Δｔｃの参照ノイズ信号ｎref（ｔ）とを比較して適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を求めていたが、これに限らず、時間領域Δｔａ，Δｔｃの全てではなく、時間領域Δｔａあるいは時間領域Δｔｃの一方のみを比較して適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を求めてもよいし、時間領域Δｔａあるいは時間領域Δｔｃの一部のみを比較して適応参照ノイズ信号ｎref（ｔ）´を求めてもよい。
【００４５】
（参照ノイズ信号の取得例１）
ここで、計測による参照ノイズ信号ｎref（ｔ）の具体的な取得処理について説明する。まず、図７に示すように、超音波計測装置１０による超音波計測は、鋼材などの被検体１５に対して水浸法を用いて行われる。超音波計測装置１０は、計測に用いる超音波の参照ノイズ信号ｎref（ｔ）と、被検体１５に対する計測信号ｙ（ｔ）とを取得する。超音波プローブ２は、まず、被検体１５との間で、水等の音響接触触媒に接触した状態にされ、その後、この状態で超音波計測が行われる。ここで、超音波プローブ２は、被検体１５以外の外部に対しても超音波の送受信を行うため、上述したように、計測信号ｙ（ｔ）内に残響ノイズｎ（ｔ）が含まれる。
【００４６】
参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、表面エコーや欠陥部１５ａからのエコー（反射超音波および／または散乱超音波）であるエコー信号ｓ（ｔ）がない状態で計測すればよく、この参照ノイズ信号の取得例１では、図８に示すように、被検体１５を設けず、エコー信号ｓ（ｔ）のない状態で計測することによって、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を得るようにしている。
【００４７】
もちろん、この場合、超音波プローブ２が送受信する周波数や時間長は、エコー信号ｓ（ｔ）を取得する超音波計測時と同じ条件であることが好ましい。特に、音響接触媒体である水の温度などを超音波計測時と同じ条件とすることが好ましい。
【００４８】
このようにして得られる参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、超音波計測直前に超音波計測の一連の処理によって求めてもよいし、同一条件での超音波計測が繰り返し行われる場合には、記憶部７内に予め保持しておくようにしてもよい。
【００４９】
（参照ノイズ信号の取得例２）
つぎに、参照ノイズ信号の取得例２について説明する。この取得例２では、図９に示すように、欠陥部１５ａのない正常な被検体である基準被検体１６を専用の試験片として用い、この基準被検体１６に対する超音波計測を行うことによって、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を求めるようにしている。
【００５０】
この場合、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）には、残響ノイズｎ（ｔ）とともに表面エコーが含まれるが、この表面エコーは、超音波計測には不必要なノイズである。したがって、表面エコー成分を参照ノイズ信号ｎref（ｔ）の成分として含めることによって、超音波計測時に、欠陥部１５ａからの所望のエコー信号ｓ（ｔ）を一層高いＳ／Ｎ比で得ることができる。
【００５１】
また、この取得例２では、取得例１に比して、一層被検体１５に対する実計測に近い条件で行うことができるという利点がある。
【００５２】
この実施の形態１は、参照ノイズ信号を用いて、被検体からの計測信号に含まれる残響ノイズに対応した適応参照ノイズ信号を生成し、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去することによって、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号を得ることができる。この結果、被検体の欠陥情報および構造情報等を一層高精度に非破壊計測することができる。
【００５３】
（実施の形態２）
この実施の形態２では、参照ノイズ信号の取得を別途行わず、超音波計測内で参照ノイズ信号の取得を含めて欠陥部１５ａの検出を行うようにしている。
【００５４】
まず、この実施の形態２では、図１０に示すように、超音波プローブ２が超音波の送受信を行いつつ、被検体１５を超音波プローブ２に対して相対的に移動させ、被検体１５から複数の計測信号ｙi（ｔ）（ｉ＝１，２，３，…，Ｎ）を実測し、得られた複数の計測信号ｙi（ｔ）をもとに、被検体１５の欠陥部検出に適応する適応参照ノイズ信号を取得している。
【００５５】
図１０において、欠陥部１５ａが存在する位置Ｐ2が、超音波プローブ２による合計Ｎ回の相対的走査（計測）のうちのｋ回目の位置である場合、計測信号ｙi（ｔ）は、次式（５）、（６）によって表される。
ｙi（ｔ）＝ｓs,i（ｔ）＋ｎi（ｔ） （ｉ≠ｋ） …（６）
ｙk（ｔ）＝ｓs,k（ｔ）＋ｓd（ｔ）＋ｎk（ｔ） （ｉ＝ｋ） …（７）
【００５６】
なお、ｓs,i（ｔ）は、ｉ回目の計測時の表面エコー信号であり、ｎi（ｔ）は、ｉ回目の計測時の残響ノイズ信号である。また、ｓd（ｔ）は、ｋ回目の計測時のみに計測される欠陥エコー信号である。
【００５７】
ここで、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、取得した合計Ｎ回分の計測信号ｙ1（ｔ），…，ｙi（ｔ），…，ｙN（ｔ）をもとに、次式（８）に基づいて、近似的に算出される。
【数１】
【００５８】
なお、上式（８）において、ｓs（ｔ）は、合計Ｎ回の計測分の表面エコー信号を平均化した平均の表面エコー信号であり、ｎs（ｔ）は、合計Ｎ回の計測分の平均の残響ノイズ信号である。
【００５９】
ノイズ生成部４は、上式（８）に基づいて算出した参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を用いて、ｉ回目の計測信号ｙi（ｔ）に適応した適応参照ノイズ信号ｎ´ref,i（ｔ）を実施の形態１と同様にして生成する。その後、ノイズ除去部５は、計測信号ｙi（ｔ）から適応参照ノイズ信号ｎ´ref,i（ｔ）を減算し、次式（９）に示すエコー信号ｓ´ｉ（ｔ）を得る。
【数２】
【００６０】
したがって、被検体１５の計測回数の合計Ｎ回が３以上（Ｎ≧３）である場合、より一般的には、欠陥エコーが同位相で検出されている計測信号が全体の１／３以下である場合、エコー信号ｓ´ｉ（ｔ）の絶対値は、次式（１０）のようになる。
｜ｓ´ｉ（ｔ）｜＜｜ｓ´ｋ（ｔ）｜ （ｉ≠ｋ） …（１０）
このため、超音波計測装置１０は、式（１０）に基づいて、被検体１５の欠陥エコーの有無を検出することができる。
【００６１】
この実施の形態２では、被検体の計測信号とは別に参照ノイズ信号を実測する必要がなく、これによって、超音波の参照ノイズ信号を実測する手間および時間を省くことができ、この結果、一層短時間且つ容易に高Ｓ／Ｎ比のエコー信号を取得することができる。
【００６２】
また、被検体内部に存在する欠陥部の位置の近傍を走査して計測信号を取得するので、参照ノイズ信号の経時変化および計測位置に応じた変化を低減することができ、これによって、時間または計測位置等の計測環境の要因に追従した参照ノイズ信号を取得することができる。
【００６３】
（実施例）
つぎに、上述した実施の形態１に対応する実施例について説明する。この実施例における超音波プローブ２は、公称周波数を７５ＭＨｚに設定している。また、超音波プローブ２の振動子直径は３ｍｍであり、超音波プローブ２の焦点距離は１０ｍｍである。このような超音波プローブ２を備えた超音波計測装置１０を用い、水浸法によって被検体１５に超音波を斜角入射し、被検体１５の超音波計測を６．０μ秒間行った。
【００６４】
なお、この実施例における超音波計測方法では、被検体１５として、厚さ２．６ｍｍの鋼板を用いている。また、この被検体１５である鋼板は、水等の音響接触触媒に全没または局部的に水没させた状態にしている。
【００６５】
この実施例にかかる超音波計測方法によって、超音波計測装置１０は、図１１に示すような波形の計測信号ｙ（ｔ）を取得した。詳細には、超音波計測装置１０は、時間ｔ＝１．１μ秒から時間ｔ＝２．０μ秒の間に、この鋼板の表面散乱波を計測した。また、超音波計測装置１０は、時間ｔ＝２．０μ秒から時間ｔ＝３．２μ秒の間に、この鋼板の内部からの後方散乱波を計測した（図１１に示す矩形枠内を参照）。
【００６６】
一方、残響ノイズの基準信号である参照ノイズ信号ｎref（ｔ）は、上述したように、実際に超音波を送受信することによって予め計測した。この結果、超音波計測装置１０は、図１２に示すような波形の参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を取得した。
【００６７】
なお、この実施例における超音波計測方法では、超音波計測装置１０は、被検体１５である鋼板の計測信号ｙ（ｔ）および参照ノイズ信号ｎref（ｔ）を取得した後、同期加算平均処理を行って、この計測信号ｙ（ｔ）および参照ノイズ信号ｎref（ｔ）から電気ノイズ等の非残響ノイズ成分を除去した。
【００６８】
その後、超音波計測装置１０は、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）をもとに、この鋼板の計測信号ｙ（ｔ）のうち、エコー信号を受信しない時間領域の波形と、参照ノイズ信号ｎref（ｔ）とを比較し、適応参照ノイズ信号ｎ´ref（ｔ）を生成し、計測信号ｙ（ｔ）から適応参照ノイズ信号ｎ´ref（ｔ）を減算して除去した。この結果は、図１３に示すような波形となり、高いＳ／Ｎ比をもつエコー信号ｓ（ｔ）を取得することができた。
【００６９】
ここで、鋼板の計測信号ｙ（ｔ）の波形（図１１参照）とエコー信号ｓ（ｔ）の波形（図１３参照）とを比較した場合、鋼板の表面散乱波と後方散乱波とが計測された時間領域（図１１，１３の矩形枠内の時間領域）では、残響ノイズ除去処理の前後において、ピークおよび振幅等の波形特性が略維持されている。一方、この時間領域以外（図１１，１３の矩形枠外の時間領域）では、振幅が低減している。このため、被検体１５である鋼板の計測時間において、この鋼板からのエコー信号ｓ（ｔ）の信号レベルを維持しつつ、残響ノイズを除去できたことがわかる。
【００７０】
なお、上述した実施の形態では、同期加算平均処理によって被検体の計測信号内の電気ノイズ等の非残響ノイズ成分を除去していたが、これに限らず、同期加算平均処理以外の方法、例えば、マッチドフィルタを用いた方法によって非残響ノイズ成分を除去してもよいし、周波数帯域のフィルタリング処理による方法によって非残響ノイズ成分を除去してもよい。
【００７１】
さらに、上述した実施の形態では、被検体の計測に用いる実際の超音波に基づいてモデル化した波形の参照ノイズ信号を予め準備していたが、これに限らず、数値シミュレーションによってモデル化した波形の参照ノイズ信号を用いてもよいし、適切な論理式に基づいて導出した参照ノイズ信号を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１ 計測信号取得部
２ 超音波プローブ
３ 送受信部
４ ノイズ生成部
５ ノイズ除去部
６ 入力部
７ 記憶部
８ 表示部
９ 制御部
９ａ ノイズ信号取得部
１０ 超音波計測装置
１５ 被検体
１５ａ 欠陥部
１６ 基準被検体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体からのエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得ステップと、
前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得ステップと、
前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成ステップと、
前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去ステップと、
を含むことを特徴とする超音波計測方法。
【請求項２】
前記ノイズ生成ステップは、前記エコー信号を含む計測信号に含まれる、前記被検体からの反射超音波及び散乱超音波を受信する前の時間領域の一部または全部、あるいは後の時間領域の一部または全部、あるいは前および後の時間領域の一部または全部の計測信号と前記参照ノイズ信号と比較して、前記適応参照ノイズ信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の超音波計測方法。
【請求項３】
前記ノイズ信号取得ステップは、前記超音波プローブから超音波の送受信を行うことによって前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波計測方法。
【請求項４】
前記ノイズ信号取得ステップは、前記被検体からの反射超音波および／または散乱超音波が観測されないように前記超音波プローブを配置して前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項３に記載の超音波計測方法。
【請求項５】
前記ノイズ信号取得ステップは、被検体内部に欠陥のない被検体に超音波が送信されるように前記超音波プローブを配置して前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項３に記載の超音波計測方法。
【請求項６】
前記ノイズ信号取得ステップは、前記超音波プローブを前記被検体に対して相対的に移動させながら計測し、前記被検体の複数の位置での計測結果を平均処理することによって前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項３に記載の超音波計測方法。
【請求項７】
前記被検体からのエコー信号は、前記被検体内部の欠陥からの反射である後方散乱波であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の超音波計測方法。
【請求項８】
超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体から反射したエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得部と、
前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得部と、
前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成部と、
前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去部と、
を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項９】
前記ノイズ生成部は、前記エコー信号に含まれる、前記被検体からの反射超音波及び散乱超音波を含む計測信号を受信する前の時間領域の一部または全部、あるいは後の時間領域の一部または全部、あるいは前および後の時間領域の一部または全部の計測信号と前記参照ノイズ信号と比較して、前記適応参照ノイズ信号を生成することを特徴とする請求項８に記載の超音波計測装置。
【請求項１】
超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体からのエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得ステップと、
前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得ステップと、
前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成ステップと、
前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去ステップと、
を含むことを特徴とする超音波計測方法。
【請求項２】
前記ノイズ生成ステップは、前記エコー信号を含む計測信号に含まれる、前記被検体からの反射超音波及び散乱超音波を受信する前の時間領域の一部または全部、あるいは後の時間領域の一部または全部、あるいは前および後の時間領域の一部または全部の計測信号と前記参照ノイズ信号と比較して、前記適応参照ノイズ信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の超音波計測方法。
【請求項３】
前記ノイズ信号取得ステップは、前記超音波プローブから超音波の送受信を行うことによって前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波計測方法。
【請求項４】
前記ノイズ信号取得ステップは、前記被検体からの反射超音波および／または散乱超音波が観測されないように前記超音波プローブを配置して前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項３に記載の超音波計測方法。
【請求項５】
前記ノイズ信号取得ステップは、被検体内部に欠陥のない被検体に超音波が送信されるように前記超音波プローブを配置して前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項３に記載の超音波計測方法。
【請求項６】
前記ノイズ信号取得ステップは、前記超音波プローブを前記被検体に対して相対的に移動させながら計測し、前記被検体の複数の位置での計測結果を平均処理することによって前記参照ノイズ信号を取得することを特徴とする請求項３に記載の超音波計測方法。
【請求項７】
前記被検体からのエコー信号は、前記被検体内部の欠陥からの反射である後方散乱波であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の超音波計測方法。
【請求項８】
超音波プローブから被検体に対して超音波を送信し、前記超音波プローブが該被検体から反射したエコー信号を含む計測信号を取得する計測信号取得部と、
前記超音波プローブが生成する超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得するノイズ信号取得部と、
前記計測信号の一部と前記参照ノイズ信号の一部とを比較し、前記超音波プローブによる前記計測信号の受信状態での該計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、前記参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、該決定した変調パラメータを用いて該計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成するノイズ生成部と、
前記計測信号から前記適応参照ノイズ信号を除去するノイズ除去部と、
を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項９】
前記ノイズ生成部は、前記エコー信号に含まれる、前記被検体からの反射超音波及び散乱超音波を含む計測信号を受信する前の時間領域の一部または全部、あるいは後の時間領域の一部または全部、あるいは前および後の時間領域の一部または全部の計測信号と前記参照ノイズ信号と比較して、前記適応参照ノイズ信号を生成することを特徴とする請求項８に記載の超音波計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１９６８７７（Ｐ２０１１−１９６８７７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６５１７５（Ｐ２０１０−６５１７５）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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