超音波診断装置
【課題】ノイズが低減された信号を得ることができ、被検体内の欠陥の数や位置を正確に診断することができる超音波診断装置を提供すること、および被検体内に存在する欠陥を広範囲にわたって診断することができる超音波診断装置を提供すること。
【解決手段】本発明は、被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置に関する。超音波診断装置は、チャープ波を生成する信号発生部３と、チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部５と、チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成して被検体内に伝搬させる探触子１１と、を含む。
【解決手段】本発明は、被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置に関する。超音波診断装置は、チャープ波を生成する信号発生部３と、チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部５と、チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成して被検体内に伝搬させる探触子１１と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波を用いた超音波探傷装置または超音波厚み測定装置等の超音波診断装置は、図２３に示すように構成されているものが多い。この超音波診断装置では、同期信号発生部１０１から一定のパルス周期を有する同期信号が送信部１０２へ送信される。送信部１０２はパルス周期を有する同期信号に同期して所定パルス幅を有する送信パルス信号ａを探触子１０３へ送信する。探触子１０３は送信パルス信号ａに同期した超音波を被検体１０４へ発射する。また、探触子１０３は被検体１０４から反射した超音波（エコー）を受信し、受信したエコーを電気信号のエコー信号ｂに変換して受信部１０５へ送信する。受信部１０５は受信したエコー信号を増幅する。表示部１０６は増幅されたエコー信号ｃを表示する。
【０００３】
上記超音波診断装置において、送信部１０２から送信される送信パルス信号ａは、短パルス、あるいは、バースト信号等の狭帯域の信号であり、被検体１０４の材質によっては送信パルス信号ａのパルス幅や出力強度の調整を行う必要がある。また探触子１０３から発射される超音波の周波数特性は、探触子１０３の振動子特性に依存しているため、被検体１０４の材質に応じて超音波の周波数を調整することは、多大な労力と時間が必要である。
【０００４】
この問題を解決する装置として、同期信号発生部１０１と送信部１０２との間に波数可変回路および周波数可変回路が設けられた超音波診断装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の超音波診断装置は、送信周波数と送信波数とが可変であるため、超音波の周波数の調整が容易である。しかしながら、特許文献１に記載の超音波診断装置において送信される超音波は、パルス送信間隔に比べてパルス幅が長くなるため、時間軸における分解能は悪くなる。
【０００５】
また、図２４に示すように、被検体１０７の内部に亀裂や空洞等の欠陥１０８、１０９が存在している場合、超音波診断装置により検出できるエコーには、被検体１０７の表面から反射したエコー（Ｓエコー１１０）と、被検体１０７内部の欠陥１０８、１０９から反射したエコー（Ｆエコー１１１、１１２）と、被検体１０７の底面から反射したエコー（Ｂエコー１１３）とがある。ここで、Ｓエコー１１０は、Ｆエコー１１１、１１２に比べて極端に振幅が大きく、ある一定の時間幅においてほぼ飽和状態となる。被検体１０７の表面から上記時間幅に超音波が伝搬する距離に相当する深さまでを表面不感帯といい、この表面不感帯の領域に存在する欠陥の検出は困難である。一般に一振動子型探触子により被検体である鋼板内の欠陥を検出する場合、３ｍｍ程度の不感帯が存在するといわれている。特に鋼板が薄い場合、Ｓエコー１１０は鋼板表面近くに存在する欠陥を見えにくくして、Ｂエコー１１３は鋼板底面近くに存在する欠陥を見えにくくする。
【０００６】
ところで、超音波は被検体の底面と表面で反射を繰り返して伝播する。探触子により検出される超音波（エコー）には、図２５に示すように、欠陥からの直接反射波と、モード変換しない間接反射波１１４と、モード変換した間接反射波１１５とがある。表示部には、上記受信波形が表示されるため、欠陥の正確な数、欠陥の正確な位置が計測しにくい。その上、モード変換を起こした間接反射波１１５の信号強度が強い場合がある。被検体の底面、欠陥に超音波が当たると、超音波はモード変換を起こしやすく、モード変換を起こした超音波は、ノイズとして観測される場合がある。
【０００７】
また、鋼板等の被検体上に障害物がある場合、表面波や、ガイド波は比較的障害物の影響を受けやすく、障害物の下部にある鋼板には伝わらず、反射してしまうために、表面波や、ガイド波を用いて鋼板内の欠陥を見ることが難しい。
【０００８】
従来の超音波診断装置は、図２６に示すように探触子の近くにある溶接箇所の傷、亀裂、空洞、錆等の欠陥を見る目的で使用され、被検体全体を見るには膨大な測定ポイントが必要なため使用されていない。
【０００９】
また、従来の探触子は、感度が多少低いセラミックを使用した振動子と、高周波の周波数に対して減衰が大きいアクリルからなる楔とを備えているため、被検体全体を測定するには不向きである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公平３−４３５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記の事情をもとに考え出されたものであって、ノイズが低減された信号を得ることができ、被検体内の欠陥の数や位置を正確に診断することができる超音波診断装置を提供すること、および被検体内に存在する欠陥を広範囲にわたって診断することができる超音波診断装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る超音波診断装置は、被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、チャープ波を生成する信号発生部と、前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、前記チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成して前記被検体内に伝搬させる探触子と、を含む。
【００１３】
前記探触子は、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波を受信するように構成することができる。
【００１４】
本発明に係る超音波診断装置は、前記探触子とは別に、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波を受信する受信用の探触子をさらに含むように構成することができる。
【００１５】
本発明に係る超音波診断装置は、前記探触子により受信した前記ＳＨ波に対してノイズ処理を行うノイズ処理部と、前記ノイズ処理が行われた前記ＳＨ波と参照波形との相互相関をとる相互相関処理部と、前記相互相関処理後の前記ＳＨ波を表示する表示部と、をさらに含むことが好ましい。
【００１６】
前記ノイズ処理部は、前記探触子により受信した前記ＳＨ波を加算平均する加算平均回路を含むことが好ましい。
【００１７】
前記探触子は、コンポジット材からなる振動子と、ポリスチレンからなる楔と、を含むことが好ましい。
【００１８】
本発明に係る超音波診断装置は、被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、チャープ波を生成する信号発生部と、前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、前記チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波およびＳＶ波を生成して前記被検体内に交互に伝搬させる二振動子探触子と、を含む。
【００１９】
前記二振動子探触子は、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を受信するように構成することができる。
【００２０】
本発明に係る超音波診断装置は、前記二振動子探触子とは別に、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を受信する受信用の二振動子探触子をさらに含むように構成することができる。
【００２１】
本発明に係る超音波診断装置は、前記二振動子探触子により受信した前記ＳＨ波および前記ＳＶ波に対してノイズ処理を行うノイズ処理部と、前記ノイズ処理が行われた前記ＳＨ波および前記ＳＶ波と参照波形との相互相関をとる相互相関処理部と、前記相互相関処理後の前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を同時に表示する表示部と、をさらに含むことが好ましい。
【００２２】
前記ノイズ処理部は、前記二振動子探触子により受信した前記ＳＨ波および前記ＳＶ波をそれぞれ加算平均する加算平均回路を含むことが好ましい。
【００２３】
本発明に係る超音波診断装置は、コンクリート内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、チャープ波を生成する信号発生部と、前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、前記チャープ波圧縮信号に基づいてＰ波を生成して前記コンクリート内に伝搬させるＰ波振動子と、を含む。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、チャープ波圧縮信号を使用しているため、ノイズが低減された信号を得ることができる。また、本発明に係る超音波診断装置は、チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成して、ＳＨ波を被検体内に伝搬させる探触子を含んでいるため、被検体内に存在する欠陥を広範囲にわたって診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る超音波診断装置（送信側）を示すブロック図である。
【図２】チャープ波の説明図である。
【図３】ハミング窓付きチャープ波の波形図である。
【図４】チャープ波圧縮信号の波形図である。
【図５】自己相関関数による圧縮処理を行う前後のチャープ波の波形図であって、（Ａ）はハミング窓なしの場合の波形図、（Ｂ）はハミング窓ありの場合の波形図である。
【図６】本発明に係る超音波診断装置（受信側）を示すブロック図である。
【図７】加算回数を変えて同期加算を行った正弦波の波形図である。
【図８】エコー信号の処理方法を比較した概念図であって、（Ａ）は従来の処理方法の概念図、（Ｂ）は本発明に係るパルス圧縮方法の概念図である。
【図９】本発明に係る二振動子斜角探触子を示す斜視図である。
【図１０】超音波の伝搬速度と入射角、屈折角および反射角との関係を示す概念図である。
【図１１】本発明に係る探触子の特性を示す図である。
【図１２】本発明に係る探触子のインピーダンスの測定結果を示す図である。
【図１３】本発明に係る探触子の共振、反共振特性の測定結果を示す図である。
【図１４】本発明に係る探触子の楔材の減衰率を比較した図である。
【図１５】本発明に係る探触子の振動子材の感度を比較した図である。
【図１６】本発明に係る超音波診断装置による被検体内の欠陥の診断結果の一例を示す図である。
【図１７】エコー信号の波形図であって（Ａ）は従来の方法で診断した波形図、（Ｂ）は本実施例の方法で診断した波形図である。
【図１８】バースト波およびパルス圧縮波を使用したエコー信号の波形図と、それぞれのエコー信号のＳ/Ｎ比を比較した図である。
【図１９】自己相関関数による圧縮処理を行う前後の正弦波の波形図である。
【図２０】被検体上に移動可能に設置された探触子を示す模式図である。
【図２１】コンクリートに面した鋼板内を伝搬するＳＨ波を示す模式図である。
【図２２】欠陥上に設置された二振動子探触子からの超音波を示す模式図である。
【図２３】従来の超音波診断装置を示すブロック図である。
【図２４】超音波の伝搬およびエコー信号を示す概念図である。
【図２５】モード変換した間接反射波とモード変化していない間接反射波とを示す概念図である。
【図２６】被検体内を伝搬する超音波を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
【００２７】
本発明に係る超音波診断装置の送信側は、図１に示すように、ＣＰＵ１、パラメータ設定部２、デジタル波形発生装置（信号発生部）３、ハミング窓関数処理部４、自己相関関数処理部（圧縮処理部）５、フィルター処理部６、Ｄ／Ａ変換回路７Ａ，７Ｂ、レベル変換部８、電源装置９、送信部１０、探触子１１を含んでいる。
【００２８】
デジタル波形発生装置３は、ＣＰＵ１の管理下におかれ、外部から入力されたパラメータに基づいてパラメータ設定部２で設定されたチャープ波を発生させる。チャープ波は、図２に示すように、ｔ１からｔ２までの時間Ｔｗ内で、周波数がｆ１からｆ２までＦｗだけ直線的に変化するものである。チャープ波は、自己相関関数処理部５で圧縮処理が行われる前に、ハミング窓関数処理部４において重み付けされる。重み付けされたハミング窓付きのチャープ波（図３参照）は、以下の式で表わされる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
ハミング窓関数Ｈ（ｔ）は、圧縮処理後のチャープ波のサイドローブを処理するために使用され、以下の式で表わされる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
さらに、このハミング窓付きのチャープ波に対して自己相関関数処理を行うことにより圧縮波形（チャープ波圧縮信号）が得られる。自己相関関数Ｒxx（τ）は、ある信号ｘ（ｔ）のある区間ｘ（ｔ１）と、ある区間ｘ（ｔ２）とが、どれくらい関係があるかに対しての一つの指標となり、以下の式で表わされる。
【００３３】
【数３】
【００３４】
式（３）を離散量で考えると、ｘ（ｉ）｛ｉ＝（０，１，２,・・・，Ｎ−１）｝に対する自己相関関数Ｒxx（ｊ）は、以下の式で表わされる。
【００３５】
【数４】
【００３６】
式（４）において、ｊは，ｘ（ｉ）とｘ（ｉ＋ｊ）とのずれを，標本点の数で表したものであり，標本化間隔Δｔとおくと，ｊ・Δｔは時間差となる。ただし、データは有限個でありｘ（Ｎ），ｘ（Ｎ＋１），・・・は存在しないことから、データの個数に合わせて平均をとる（即ちｊ個分失われるため、ＮではなくＮ−ｊで平均をとる）ようにした場合、自己相関関数は以下の式で表わされる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
本発明に係る超音波診断装置では、式（５）の自己相関関数でハミング窓付きのチャープ波を処理し、目的のチャープ波圧縮信号（図４参照）を得る。
【００３９】
ハミング窓関数処理が行われていないチャープ波を圧縮したチャープ波圧縮信号は、図５（Ａ）に示すようにサイドローブの広がりが大きい。圧縮波形のサイドローブが広がると、ノイズの発生源となる。これに対して、ハミング窓関数処理が行われているチャープ波を圧縮したチャープ波圧縮信号は、図５（Ｂ）に示すようにサイドローブの広がりが小さくなっている。また、サイドローブの広がりは、ソフトウェア処理でカットしてもよい。
【００４０】
さらに、チャープ波圧縮信号は、デジタルデータとしてフィルター処理部６においてＦＩＲフィルタリング処理が行われ、波形整形が行われる。これによりノイズの少ないチャープ波圧縮信号を発生させることができる。波形整形が行われたチャープ波圧縮信号は、Ｄ／Ａ変換回路７Ａにおいて、アナログ信号に変換される。ここでは、チャープ波圧縮信号を正規化された信号として発生させている。
【００４１】
アナログ信号に変換されたチャープ波圧縮信号の電圧レベルを被検体に合わせるために、電源装置９からの電圧は、ＣＰＵ１からの信号に基づいてレベル変換部８で電圧調整が行われる。なお、ＣＰＵ１からの信号はデジタル信号であるため、Ｄ／Ａ変換回路７Ｂでアナログ信号に変換された後に、レベル変換部８に送信される。レベル変換部８は、例えばオペアンプからなる。また、チャープ波圧縮信号以外の信号の電圧レベルを調整する場合は、さらにＦＥＴを備えてもよい。
【００４２】
電圧調整後の電源装置９からの電圧に基づいて、０〜１０Ｖの範囲で変化するチャープ波圧縮信号を０Ｖ〜１０００Ｖまでの範囲で変化するように直線的に調整することによって、被検体のサイズや、形状に影響を受けにくい十分なチャープ波圧縮信号を得ることができる。得られたチャープ波圧縮信号は、送信部１０を通して探触子１１に送信される。
【００４３】
探触子１１は、チャープ波圧縮信号をもとに超音波を生成し、被検体内に超音波を伝搬させる。探触子１１として９０度ＳＨ斜角探触子を使用することで、被検体内、特に鋼板の内部にＳＨ波（Shear Horizontal wave）を伝搬させ、広範囲（９０度ＳＨ斜角探触子の発射角内）にわたる欠陥を探傷することができる。
【００４４】
探触子１１内の振動子には共振周波数が存在するため、広帯域の信号を発射しても、振動子共振周波数付近ではエネルギーが十分あるが、共振周波数を外れると、エネルギーが減少し、効果が期待できない場合がある。
【００４５】
本発明に係る超音波診断装置の受信側は、図６に示すように、ＣＰＵ１２、探触子１３、インピーダンスマッチング部１４、バンドパスフィルター（ＢＰＦ）１５、Ｄ／Ａ変換回路１６、プログラマブルアッテネータ（ＡＴＴ）１７、増幅器（ＡＭＰ）１８、Ａ／Ｄ変換回路１９、デジタルフィルター２０、加算平均（同期加算）回路２１、相互相関処理部２２、表示部２３を含んでいる。ＣＰＵ１２は、送信側のＣＰＵ１を使用してもよい。
【００４６】
受信側の探触子１３は、被検体から反射したＳＨ波（エコー）を受信して、電気信号（エコー信号）に変換する。受信側の探触子１３は、送信側の９０度ＳＨ斜角探触子を使用してもよいし、送信側の９０度ＳＨ斜角探触子とは別の受信用の９０度ＳＨ斜角探触子をしてもよい。
【００４７】
エコー信号は、インピーダンスマッチング部１４で５０Ωのインピーダンスマッチングが行われる。また、チャープ波圧縮時に設定された周波数範囲、例えばＣＰＵ１に外部パラメータを入力することによって設定された周波数範囲においてバンドパスフィルター１５により、その周波数以外のノイズが除去される。バンドパスフィルター１５の代わりにハイパスフィルター（ＨＰＦ）やローパスフィルター（ＬＰＦ）を使用してもよい。
【００４８】
続いて、プログラマブルアッテネータ１７を使用し、エコー信号の電圧レベルをＤ／Ａ変換回路１６のサンプリングレート時間Δｔに合わせてＣＰＵ１２からの指令に基づいて調整する。なお、ＣＰＵ１２からの信号は０〜５Ｖの範囲のデジタル信号であるため、Ｄ／Ａ変換回路１６でアナログ信号に変換された後に、プログラマブルアッテネータ１７に送信される。プログラマブルアッテネータ１７は、任意の時間間隔で、かつ任意の電圧レベルに設定可能である（特性は任意、図６の２４参照）。また、エコー信号の信号レベルが小さい場合、プログラマブルアッテネータ１７は使用しなくてもよい。プログラマブルアッテネータ１７は、今までは、被検体表面から反射したエコー信号（Ｓエコー）が強かったために、表面近くの観測がしにくいという問題を改善している。またプログラマブルアッテネータ１７は、増幅度（ゲイン）が大きいために次段の増幅器１８が飽和することを防ぐ役目も受け持っている。
【００４９】
増幅器１８は、被検体内部の欠陥から反射したエコー信号（Ｆエコー）を十分なレベルまで増幅するためのもので、特に直線性のよい増幅器が使用される。
【００５０】
Ａ／Ｄ変換回路１９は、１６ビット以上の分解能を有し、サプリングレート２００ＭＨｚ以上の高速Ａ／Ｄ変換回路が使用され、エコー信号を正確にデジタル信号に変換する。別段、測定に支障なければ、このＡ／Ｄ変換回路１９は１２ビット等のＡ／Ｄ変換回路を使用してもよい。
【００５１】
例えば、１００ＭＨｚでサンプリングできるＡ/Ｄ変換回路を用いて、１０ＭＨｚ付近のエコー信号をＡ/Ｄ変換しサンプリングを行った場合、受信信号の１波形（１サイクル）分に対して、１０個のサンプリングデータしか取得できない。２００ＭＨｚサンプリングＡ/Ｄ変換回路では２０個のサンプリングデータが取得でき、精度が２倍になる。またＳＶ波（Shear Vertical wave）、ＳＨ波の二振動子斜角探触子を用いた場合に、交互サンプリングをすると、サンプリング数が１／２となってしまう。従って、周波数が高くなるほど、また二振動子斜角探触子による交互サンプリングを行う場合は、サンプリングレートの高いＡ/Ｄ変換回路を使用することが好ましい。
【００５２】
次に、デジタルフィルター２０によりノイズの低減を行う。デジタルフィルター２０はＦＩＲ型フィルター等が使用され、ＣＰＵからの指令によりエコー信号に合わせてカット周波数等の設定が可能である。また、別段、測定に支障がなければデジタルフィルター２０は使用しなくてもよい。
【００５３】
次に、加算平均回路２１によりノイズ低減を行う。加算平均回路２１は、同じ測定を何回も繰り返し，その平均を求めることで，ノイズを減少させて信号を検出するもので、加算回数を１回から１０００回程度まで任意に設定できる。
加算平均回路２１の動作は、以下の式で表わされる。
【００５４】
【数６】
【００５５】
図７に正弦波を使用し、１０００回までの同期加算を行った結果を示す。１０００回の同期加算において正弦波が鮮明に再現されていることがわかる。
【００５６】
実際には、１回目にサンプリングした受信信号と、２回目にサンプリングした受信信号とを、同一時間軸上で加算し、受信信号の平均をとることでノイズを低減する。従って、例えば１００回の同期加算を行う場合には、１００回の送信信号を発射して、１００回の受信信号をサンプリングした後に、表示部２３に１つの受信データが表示される。
【００５７】
同期加算を経て、ノイズが低減されたエコー信号は、相互相関処理部２２で参照波形との相互相関処理を行うことにより圧縮される。参照波形は送信時に使用した圧縮波形を使用するが、この参照波形を別に用意してもかまわない。相互相関関数は，２つの信号ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）との類似性を表すのに使用される。また，ある信号波形が，別の信号波形のどの部分に似ているのかを調べることができ、似ている部分があるとすれば両信号波形はどのくらいの時間差（遅れ時間）があるのかを調べることもできる。
信号ｘ（ｔ），ｙ（ｔ）の離散データｘ（ｉ）｛ｉ＝（０，１，２,・・・，Ｎ−１）｝，ｙ（ｉ）｛ｉ＝（０，１，２,・・・，Ｎ−１）｝の相互相関関数Ｒxy（ｊ）の定義式は以下の通りである。
【００５８】
【数７】
【００５９】
相互相関処理後のエコー信号は、表示部２３に表示される。図８に示すように、従来の処理方法と比較すると、本発明に係るパルス圧縮方法は、ノイズが低減されており、ＳＮ比も向上している。
【００６０】
勿論、チャープ波圧縮信号を使用する代わりに、短パルス、バースト信号、スパイク波、ステップ関数波、等の任意波形をデジタル波形発生装置３で発生させて使用することも可能である。これらの信号を使用しても、本発明に係る超音波診断装置の受信側は、バンドパスフィルター１５、デジタルフィルター２０および、加算平均回路２１を備えているため、従来の方式より、遥かにノイズが低減されたエコー信号を得ることできる。
【００６１】
また、コンクリート探傷を行う場合は、９０度ＳＨ斜角探触子に変えて、Ｐ波振動子を有する探触子を使用し、同様に送信信号としてチャープ波圧縮信号を使用して計測をするのが好ましい。Ｐ波（Longitudinal wave）は疎密で、密度変化として被検体内を伝搬するため、コンクリート探傷に適している。
【００６２】
コンクリート探傷には、比較的低い周波数の信号を使用できるが、広帯域の信号を使用する必要性がある。コンクリート内はコンクリートの経年変化により劣化しているため、減衰が著しく、信号は欠陥まで到達しにくい。低い周波数の信号を使用すれば、信号は深いところにまで到達するが、小さな欠陥を見落としやすくなる。本発明に係る超音波診断装置では、チャープ波圧縮信号を使用することで広帯域な信号を作り出すことができるため、伝達深度を上げることが可能である。
【００６３】
次に、図９の二振動子斜角探触子について説明する。二振動子斜角探触子は小さい欠陥の探傷、欠陥までの距離測定等に使用される。ＳＶ波用の振動子２５と、ＳＨ波用の振動子２６とをそれぞれ片方ずつに配置し、９０度二振動子斜角探触子を形成する。
【００６４】
一般に、ＳＨ波は反射によるモード変化を起こしにくいが、被検体内に入りにくいため被検体内の欠陥を診断するのが難しい。一方、ＳＶ波は被検体内に入りやすいが、表面の影響を受けやすく、反射によるモード変換が起こるため、広範囲にわたって欠陥を診断するのが難しい。このため９０度ＳＨ斜角探触子の代わりに、ＳＶ波用の振動子２５と、ＳＨ波用の振動子２６とを備えた９０度二振動子斜角探触子を用いて、送信波形としてＳＶ波と、ＳＨ波とを交互に被検体内に伝搬させることで、欠陥を正確に計測することができる。
【００６５】
また、ＳＶ波とＳＨ波とを受信側の９０度二振動子斜角探触子で交互に受信し、表示部に同時に表示することにより、欠陥の位置をより明確に診断することができる。
【００６６】
さらに、受信側を２つ設けることによって、いずれか一方の信号のみを発信した場合にも、ＳＶ波、ＳＨ波を同時に受信することができ、間接反射波によるモード変換の影響や遅れエコー観測を容易にし、欠陥の判定をしやすくすることもできる。
【００６７】
次に、９０度ＳＨ斜角探触子の実際の設計例について説明する。９０度ＳＨ斜角探触子から被検体へＳＨ波が伝播するとき、ＳＨ波は屈折が生じる。ＳＨ波の入射角、反射角および屈折角は、一般的に図１０のように表すことができる。
【００６８】
今回製作した９０度ＳＨ斜角探触子は、材質がコンポジット材（１−３）からなる振動子と、材質がポリスチレンからなる楔とを含む。ポリスチレン内の超音波横波速度は１１３５ｍ／ｓで、鋼板（被検体）の超音波横波速度は３２４５ｍ／ｓである。このときの入射角ｇは、ｇ＝（ａｒｃ）ｓｉｎ［｛（１１３５ｍ／ｓ）／（３２４５ｍ／ｓ）}×ｓｉｎ９０°］＝２０．５°である。この角度でＳＨ波が鋼板に発射された場合にのみ、ＳＨ波は鋼板内を平行に進む。入射角ｇがこの角度となるように製作した９０度ＳＨ斜角探触子を使用した場合における、探触子の特性、インピーダンスの測定結果、共振・反共振特性のデータを図１１、図１２、図１３に示す。これらの図に示された測定結果から、所望の９０度ＳＨ斜角探触子が正しく製作できたことが分かる。
【００６９】
９０度ＳＨ斜角探触子の楔材であるポリスチレンの、各周波数における損失データ（減衰率）を図１４に示す。アクリルの減衰率２７とポリスチレンの減衰率２９とを比較すると、試験周波数による違いはあるものの、周波数１ＭＨｚでのポリスチレンの減衰率２９は０．０９ｄＢ／ｍｍ、アクリルの減衰率２７は０．１８ｄＢ／ｍｍとなり、ポリスチレンの減衰率２９はアクリルの減衰率２７の１／２程度と小さく、また０．５ＭＨｚでは、ポリスチレンの減衰率２９は０．０８ｄＢ／ｍｍであるのに対して、アクリルの減衰率２７は０．２２ｄＢ／ｍｍと約１／４の減衰率を示した。ポリエーテルイミドの減衰率２８はアクリルとポリスチレンとの中間的な値を示した。
【００７０】
振動子の材質について、セラミックとコンポジット材（１−３）との比較を図１５に示す。図１５は、長さ４０ｍｍのポリエーテルイミドを遅延材として０．５ＭＨｚのバースト波５波でのテストを行った結果である。コンポジット材（１−３）の振動子はセラミックの振動子よりも１４ｄＢ〜２０ｄＢ（５〜１０倍）高い感度を示した。また単純に振動子材を比較するため、面積比を考慮して計算するとコンポジット材（１−３）の方が、セラミックより７〜１４ｄＢ感度が高い結果となった。なお、振動子の材質としてコンポジット材（１−３）を使用したが、他の種類のコンポジット材を使用しても良い。
【００７１】
本発明に係る超音波診断装置を使用して、厚み２０ｍｍ、巾１５００ｍｍの鋼板にテスト的に欠陥を９つ形成して測定をした結果が図１６である。欠陥の大きさは直径３ｍｍ程度とし、鋼板表面から深さ５ｍｍ程度のところに形成した。
【００７２】
図１６において、点１は端点より５００ｍｍ、点２は６５０ｍｍ、点３は７００ｍｍ、点４は８００ｍｍ、点５は８５０ｍ、点６は９５０ｍｍ、点７は１０００ｍｍ、点８は１１００ｍｍ、点９は１２００ｍｍの位置に形成した欠陥を示している。
【００７３】
実際のノイズが含まれたバースト波形を使用して従来の方法で測定した結果と、パルス圧縮波を使用して本発明に係る方法で測定した結果を図１７に示す。
【００７４】
従来の方法では、点３、点６、点９以外の欠陥を確認することができない。これに対してパルス圧縮波を使用した本発明では、すべての欠陥を確認することができる。
【００７５】
図１８は、１００ｋＨｚのバースト波を使用した場合のエコー信号と、１００ｋＨｚをセンター周波数とした本発明に係るパルス圧縮波を使用した場合のエコー信号とを比較したものである。図１８の測定点Ａ、Ｂ、ＣでのＳＮ比は、本発明に係るパルス圧縮波を使用した場合のエコー信号の方が約２０ｄＢ改善されている。
【００７６】
以上の点から、本発明に係る超音波診断装置は、チャープ波圧縮信号を使用しているため、ノイズが低減された信号を得ることができる。また、本発明に係る超音波診断装置は、チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成し、そのＳＨ波を被検体内に伝搬させる探触子を含んでいるため、被検体内に存在する欠陥を広範囲にわたって診断することができる。従って、本発明に係る超音波診断装置は、橋梁の診断に特に適している。
【００７７】
図１９に示されるようにソフトウェア的な処理により、エコー信号に自己相関関数を加えることによって、さらにノイズ低減をさせることができ、より明確なエコー信号を得ることができる。
【００７８】
また、鋼板およびコンクリート用の診断装置として、フェイズドアレイセンサを使用することにより、計測の方向制御を行ったり、内部を面で捉えたりすることも可能である。
【００７９】
９０度ＳＨ斜角探触子は、発射角が存在するため、被検体全体を網羅できない場合がある。しかしながら、図２０に示すように、９０度ＳＨ斜角探触子は簡単に移動させることができるため、９０度ＳＨ斜角探触子の位置を変えた複数回の計測により、被検体全体を計測できる。
【００８０】
本発明に係る超音波診断装置ではＳＨ波を使用しているため、図２１に示すように、コンクリート面に接している鋼板（被検体）も検査することが可能である。このため従来のＳＶ波では、コンクリートの影響を受けてしまい正確なエコー信号を観測しにくかった、測定点から離れたところにある錆、亀裂等の欠陥を容易に発見することができる。
【００８１】
また、二振動子探触子を使用して、ＳＨ波を出力し、ＳＶ波を受信することも有用である。ＳＨ波はモード変換がおこりにくく、周囲の影響を受けにくい信号であるが、二振動子探触子を使用することで、間接反射によるモード変換があった場合でも、ＳＶ波を受信することができ、正確に欠陥を把握できる。
【００８２】
さらに、欠陥情報を正確に得る方法としては、図２２の様に二振動子探触子を欠陥付近で使用し、さらに詳細な情報を計測すればよい。
【００８３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８４】
１ ＣＰＵ
２ パラメータ設定部
３ デジタル波形発生装置（信号発生部）
４ ハミング窓関数処理部
５ 自己相関関数処理部（圧縮処理部）
６ フィルター処理部
７Ａ、７Ｂ Ｄ／Ａ変換回路
８ レベル変換部
９ 電源装置
１０ 送信部
１１ 探触子
１２ ＣＰＵ
１３ 探触子
１４ インピーダンスマッチング部
１５ バンドパスフィルター
１６ Ｄ／Ａ変換回路
１７ プログラマブルアッテネータ
１８ 増幅器
１９ Ａ／Ｄ変換回路
２０ デジタルフィルター
２１ 加算平均回路
２２ 相互相関処理部
２３ 表示部
１０１ 同期信号発生部
１０２ 送信部
１０３ 探触子
１０４ 被検体
１０５ 受信部
１０６ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波を用いた超音波探傷装置または超音波厚み測定装置等の超音波診断装置は、図２３に示すように構成されているものが多い。この超音波診断装置では、同期信号発生部１０１から一定のパルス周期を有する同期信号が送信部１０２へ送信される。送信部１０２はパルス周期を有する同期信号に同期して所定パルス幅を有する送信パルス信号ａを探触子１０３へ送信する。探触子１０３は送信パルス信号ａに同期した超音波を被検体１０４へ発射する。また、探触子１０３は被検体１０４から反射した超音波（エコー）を受信し、受信したエコーを電気信号のエコー信号ｂに変換して受信部１０５へ送信する。受信部１０５は受信したエコー信号を増幅する。表示部１０６は増幅されたエコー信号ｃを表示する。
【０００３】
上記超音波診断装置において、送信部１０２から送信される送信パルス信号ａは、短パルス、あるいは、バースト信号等の狭帯域の信号であり、被検体１０４の材質によっては送信パルス信号ａのパルス幅や出力強度の調整を行う必要がある。また探触子１０３から発射される超音波の周波数特性は、探触子１０３の振動子特性に依存しているため、被検体１０４の材質に応じて超音波の周波数を調整することは、多大な労力と時間が必要である。
【０００４】
この問題を解決する装置として、同期信号発生部１０１と送信部１０２との間に波数可変回路および周波数可変回路が設けられた超音波診断装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の超音波診断装置は、送信周波数と送信波数とが可変であるため、超音波の周波数の調整が容易である。しかしながら、特許文献１に記載の超音波診断装置において送信される超音波は、パルス送信間隔に比べてパルス幅が長くなるため、時間軸における分解能は悪くなる。
【０００５】
また、図２４に示すように、被検体１０７の内部に亀裂や空洞等の欠陥１０８、１０９が存在している場合、超音波診断装置により検出できるエコーには、被検体１０７の表面から反射したエコー（Ｓエコー１１０）と、被検体１０７内部の欠陥１０８、１０９から反射したエコー（Ｆエコー１１１、１１２）と、被検体１０７の底面から反射したエコー（Ｂエコー１１３）とがある。ここで、Ｓエコー１１０は、Ｆエコー１１１、１１２に比べて極端に振幅が大きく、ある一定の時間幅においてほぼ飽和状態となる。被検体１０７の表面から上記時間幅に超音波が伝搬する距離に相当する深さまでを表面不感帯といい、この表面不感帯の領域に存在する欠陥の検出は困難である。一般に一振動子型探触子により被検体である鋼板内の欠陥を検出する場合、３ｍｍ程度の不感帯が存在するといわれている。特に鋼板が薄い場合、Ｓエコー１１０は鋼板表面近くに存在する欠陥を見えにくくして、Ｂエコー１１３は鋼板底面近くに存在する欠陥を見えにくくする。
【０００６】
ところで、超音波は被検体の底面と表面で反射を繰り返して伝播する。探触子により検出される超音波（エコー）には、図２５に示すように、欠陥からの直接反射波と、モード変換しない間接反射波１１４と、モード変換した間接反射波１１５とがある。表示部には、上記受信波形が表示されるため、欠陥の正確な数、欠陥の正確な位置が計測しにくい。その上、モード変換を起こした間接反射波１１５の信号強度が強い場合がある。被検体の底面、欠陥に超音波が当たると、超音波はモード変換を起こしやすく、モード変換を起こした超音波は、ノイズとして観測される場合がある。
【０００７】
また、鋼板等の被検体上に障害物がある場合、表面波や、ガイド波は比較的障害物の影響を受けやすく、障害物の下部にある鋼板には伝わらず、反射してしまうために、表面波や、ガイド波を用いて鋼板内の欠陥を見ることが難しい。
【０００８】
従来の超音波診断装置は、図２６に示すように探触子の近くにある溶接箇所の傷、亀裂、空洞、錆等の欠陥を見る目的で使用され、被検体全体を見るには膨大な測定ポイントが必要なため使用されていない。
【０００９】
また、従来の探触子は、感度が多少低いセラミックを使用した振動子と、高周波の周波数に対して減衰が大きいアクリルからなる楔とを備えているため、被検体全体を測定するには不向きである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公平３−４３５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記の事情をもとに考え出されたものであって、ノイズが低減された信号を得ることができ、被検体内の欠陥の数や位置を正確に診断することができる超音波診断装置を提供すること、および被検体内に存在する欠陥を広範囲にわたって診断することができる超音波診断装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る超音波診断装置は、被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、チャープ波を生成する信号発生部と、前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、前記チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成して前記被検体内に伝搬させる探触子と、を含む。
【００１３】
前記探触子は、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波を受信するように構成することができる。
【００１４】
本発明に係る超音波診断装置は、前記探触子とは別に、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波を受信する受信用の探触子をさらに含むように構成することができる。
【００１５】
本発明に係る超音波診断装置は、前記探触子により受信した前記ＳＨ波に対してノイズ処理を行うノイズ処理部と、前記ノイズ処理が行われた前記ＳＨ波と参照波形との相互相関をとる相互相関処理部と、前記相互相関処理後の前記ＳＨ波を表示する表示部と、をさらに含むことが好ましい。
【００１６】
前記ノイズ処理部は、前記探触子により受信した前記ＳＨ波を加算平均する加算平均回路を含むことが好ましい。
【００１７】
前記探触子は、コンポジット材からなる振動子と、ポリスチレンからなる楔と、を含むことが好ましい。
【００１８】
本発明に係る超音波診断装置は、被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、チャープ波を生成する信号発生部と、前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、前記チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波およびＳＶ波を生成して前記被検体内に交互に伝搬させる二振動子探触子と、を含む。
【００１９】
前記二振動子探触子は、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を受信するように構成することができる。
【００２０】
本発明に係る超音波診断装置は、前記二振動子探触子とは別に、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を受信する受信用の二振動子探触子をさらに含むように構成することができる。
【００２１】
本発明に係る超音波診断装置は、前記二振動子探触子により受信した前記ＳＨ波および前記ＳＶ波に対してノイズ処理を行うノイズ処理部と、前記ノイズ処理が行われた前記ＳＨ波および前記ＳＶ波と参照波形との相互相関をとる相互相関処理部と、前記相互相関処理後の前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を同時に表示する表示部と、をさらに含むことが好ましい。
【００２２】
前記ノイズ処理部は、前記二振動子探触子により受信した前記ＳＨ波および前記ＳＶ波をそれぞれ加算平均する加算平均回路を含むことが好ましい。
【００２３】
本発明に係る超音波診断装置は、コンクリート内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、チャープ波を生成する信号発生部と、前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、前記チャープ波圧縮信号に基づいてＰ波を生成して前記コンクリート内に伝搬させるＰ波振動子と、を含む。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、チャープ波圧縮信号を使用しているため、ノイズが低減された信号を得ることができる。また、本発明に係る超音波診断装置は、チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成して、ＳＨ波を被検体内に伝搬させる探触子を含んでいるため、被検体内に存在する欠陥を広範囲にわたって診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る超音波診断装置（送信側）を示すブロック図である。
【図２】チャープ波の説明図である。
【図３】ハミング窓付きチャープ波の波形図である。
【図４】チャープ波圧縮信号の波形図である。
【図５】自己相関関数による圧縮処理を行う前後のチャープ波の波形図であって、（Ａ）はハミング窓なしの場合の波形図、（Ｂ）はハミング窓ありの場合の波形図である。
【図６】本発明に係る超音波診断装置（受信側）を示すブロック図である。
【図７】加算回数を変えて同期加算を行った正弦波の波形図である。
【図８】エコー信号の処理方法を比較した概念図であって、（Ａ）は従来の処理方法の概念図、（Ｂ）は本発明に係るパルス圧縮方法の概念図である。
【図９】本発明に係る二振動子斜角探触子を示す斜視図である。
【図１０】超音波の伝搬速度と入射角、屈折角および反射角との関係を示す概念図である。
【図１１】本発明に係る探触子の特性を示す図である。
【図１２】本発明に係る探触子のインピーダンスの測定結果を示す図である。
【図１３】本発明に係る探触子の共振、反共振特性の測定結果を示す図である。
【図１４】本発明に係る探触子の楔材の減衰率を比較した図である。
【図１５】本発明に係る探触子の振動子材の感度を比較した図である。
【図１６】本発明に係る超音波診断装置による被検体内の欠陥の診断結果の一例を示す図である。
【図１７】エコー信号の波形図であって（Ａ）は従来の方法で診断した波形図、（Ｂ）は本実施例の方法で診断した波形図である。
【図１８】バースト波およびパルス圧縮波を使用したエコー信号の波形図と、それぞれのエコー信号のＳ/Ｎ比を比較した図である。
【図１９】自己相関関数による圧縮処理を行う前後の正弦波の波形図である。
【図２０】被検体上に移動可能に設置された探触子を示す模式図である。
【図２１】コンクリートに面した鋼板内を伝搬するＳＨ波を示す模式図である。
【図２２】欠陥上に設置された二振動子探触子からの超音波を示す模式図である。
【図２３】従来の超音波診断装置を示すブロック図である。
【図２４】超音波の伝搬およびエコー信号を示す概念図である。
【図２５】モード変換した間接反射波とモード変化していない間接反射波とを示す概念図である。
【図２６】被検体内を伝搬する超音波を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
【００２７】
本発明に係る超音波診断装置の送信側は、図１に示すように、ＣＰＵ１、パラメータ設定部２、デジタル波形発生装置（信号発生部）３、ハミング窓関数処理部４、自己相関関数処理部（圧縮処理部）５、フィルター処理部６、Ｄ／Ａ変換回路７Ａ，７Ｂ、レベル変換部８、電源装置９、送信部１０、探触子１１を含んでいる。
【００２８】
デジタル波形発生装置３は、ＣＰＵ１の管理下におかれ、外部から入力されたパラメータに基づいてパラメータ設定部２で設定されたチャープ波を発生させる。チャープ波は、図２に示すように、ｔ１からｔ２までの時間Ｔｗ内で、周波数がｆ１からｆ２までＦｗだけ直線的に変化するものである。チャープ波は、自己相関関数処理部５で圧縮処理が行われる前に、ハミング窓関数処理部４において重み付けされる。重み付けされたハミング窓付きのチャープ波（図３参照）は、以下の式で表わされる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
ハミング窓関数Ｈ（ｔ）は、圧縮処理後のチャープ波のサイドローブを処理するために使用され、以下の式で表わされる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
さらに、このハミング窓付きのチャープ波に対して自己相関関数処理を行うことにより圧縮波形（チャープ波圧縮信号）が得られる。自己相関関数Ｒxx（τ）は、ある信号ｘ（ｔ）のある区間ｘ（ｔ１）と、ある区間ｘ（ｔ２）とが、どれくらい関係があるかに対しての一つの指標となり、以下の式で表わされる。
【００３３】
【数３】
【００３４】
式（３）を離散量で考えると、ｘ（ｉ）｛ｉ＝（０，１，２,・・・，Ｎ−１）｝に対する自己相関関数Ｒxx（ｊ）は、以下の式で表わされる。
【００３５】
【数４】
【００３６】
式（４）において、ｊは，ｘ（ｉ）とｘ（ｉ＋ｊ）とのずれを，標本点の数で表したものであり，標本化間隔Δｔとおくと，ｊ・Δｔは時間差となる。ただし、データは有限個でありｘ（Ｎ），ｘ（Ｎ＋１），・・・は存在しないことから、データの個数に合わせて平均をとる（即ちｊ個分失われるため、ＮではなくＮ−ｊで平均をとる）ようにした場合、自己相関関数は以下の式で表わされる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
本発明に係る超音波診断装置では、式（５）の自己相関関数でハミング窓付きのチャープ波を処理し、目的のチャープ波圧縮信号（図４参照）を得る。
【００３９】
ハミング窓関数処理が行われていないチャープ波を圧縮したチャープ波圧縮信号は、図５（Ａ）に示すようにサイドローブの広がりが大きい。圧縮波形のサイドローブが広がると、ノイズの発生源となる。これに対して、ハミング窓関数処理が行われているチャープ波を圧縮したチャープ波圧縮信号は、図５（Ｂ）に示すようにサイドローブの広がりが小さくなっている。また、サイドローブの広がりは、ソフトウェア処理でカットしてもよい。
【００４０】
さらに、チャープ波圧縮信号は、デジタルデータとしてフィルター処理部６においてＦＩＲフィルタリング処理が行われ、波形整形が行われる。これによりノイズの少ないチャープ波圧縮信号を発生させることができる。波形整形が行われたチャープ波圧縮信号は、Ｄ／Ａ変換回路７Ａにおいて、アナログ信号に変換される。ここでは、チャープ波圧縮信号を正規化された信号として発生させている。
【００４１】
アナログ信号に変換されたチャープ波圧縮信号の電圧レベルを被検体に合わせるために、電源装置９からの電圧は、ＣＰＵ１からの信号に基づいてレベル変換部８で電圧調整が行われる。なお、ＣＰＵ１からの信号はデジタル信号であるため、Ｄ／Ａ変換回路７Ｂでアナログ信号に変換された後に、レベル変換部８に送信される。レベル変換部８は、例えばオペアンプからなる。また、チャープ波圧縮信号以外の信号の電圧レベルを調整する場合は、さらにＦＥＴを備えてもよい。
【００４２】
電圧調整後の電源装置９からの電圧に基づいて、０〜１０Ｖの範囲で変化するチャープ波圧縮信号を０Ｖ〜１０００Ｖまでの範囲で変化するように直線的に調整することによって、被検体のサイズや、形状に影響を受けにくい十分なチャープ波圧縮信号を得ることができる。得られたチャープ波圧縮信号は、送信部１０を通して探触子１１に送信される。
【００４３】
探触子１１は、チャープ波圧縮信号をもとに超音波を生成し、被検体内に超音波を伝搬させる。探触子１１として９０度ＳＨ斜角探触子を使用することで、被検体内、特に鋼板の内部にＳＨ波（Shear Horizontal wave）を伝搬させ、広範囲（９０度ＳＨ斜角探触子の発射角内）にわたる欠陥を探傷することができる。
【００４４】
探触子１１内の振動子には共振周波数が存在するため、広帯域の信号を発射しても、振動子共振周波数付近ではエネルギーが十分あるが、共振周波数を外れると、エネルギーが減少し、効果が期待できない場合がある。
【００４５】
本発明に係る超音波診断装置の受信側は、図６に示すように、ＣＰＵ１２、探触子１３、インピーダンスマッチング部１４、バンドパスフィルター（ＢＰＦ）１５、Ｄ／Ａ変換回路１６、プログラマブルアッテネータ（ＡＴＴ）１７、増幅器（ＡＭＰ）１８、Ａ／Ｄ変換回路１９、デジタルフィルター２０、加算平均（同期加算）回路２１、相互相関処理部２２、表示部２３を含んでいる。ＣＰＵ１２は、送信側のＣＰＵ１を使用してもよい。
【００４６】
受信側の探触子１３は、被検体から反射したＳＨ波（エコー）を受信して、電気信号（エコー信号）に変換する。受信側の探触子１３は、送信側の９０度ＳＨ斜角探触子を使用してもよいし、送信側の９０度ＳＨ斜角探触子とは別の受信用の９０度ＳＨ斜角探触子をしてもよい。
【００４７】
エコー信号は、インピーダンスマッチング部１４で５０Ωのインピーダンスマッチングが行われる。また、チャープ波圧縮時に設定された周波数範囲、例えばＣＰＵ１に外部パラメータを入力することによって設定された周波数範囲においてバンドパスフィルター１５により、その周波数以外のノイズが除去される。バンドパスフィルター１５の代わりにハイパスフィルター（ＨＰＦ）やローパスフィルター（ＬＰＦ）を使用してもよい。
【００４８】
続いて、プログラマブルアッテネータ１７を使用し、エコー信号の電圧レベルをＤ／Ａ変換回路１６のサンプリングレート時間Δｔに合わせてＣＰＵ１２からの指令に基づいて調整する。なお、ＣＰＵ１２からの信号は０〜５Ｖの範囲のデジタル信号であるため、Ｄ／Ａ変換回路１６でアナログ信号に変換された後に、プログラマブルアッテネータ１７に送信される。プログラマブルアッテネータ１７は、任意の時間間隔で、かつ任意の電圧レベルに設定可能である（特性は任意、図６の２４参照）。また、エコー信号の信号レベルが小さい場合、プログラマブルアッテネータ１７は使用しなくてもよい。プログラマブルアッテネータ１７は、今までは、被検体表面から反射したエコー信号（Ｓエコー）が強かったために、表面近くの観測がしにくいという問題を改善している。またプログラマブルアッテネータ１７は、増幅度（ゲイン）が大きいために次段の増幅器１８が飽和することを防ぐ役目も受け持っている。
【００４９】
増幅器１８は、被検体内部の欠陥から反射したエコー信号（Ｆエコー）を十分なレベルまで増幅するためのもので、特に直線性のよい増幅器が使用される。
【００５０】
Ａ／Ｄ変換回路１９は、１６ビット以上の分解能を有し、サプリングレート２００ＭＨｚ以上の高速Ａ／Ｄ変換回路が使用され、エコー信号を正確にデジタル信号に変換する。別段、測定に支障なければ、このＡ／Ｄ変換回路１９は１２ビット等のＡ／Ｄ変換回路を使用してもよい。
【００５１】
例えば、１００ＭＨｚでサンプリングできるＡ/Ｄ変換回路を用いて、１０ＭＨｚ付近のエコー信号をＡ/Ｄ変換しサンプリングを行った場合、受信信号の１波形（１サイクル）分に対して、１０個のサンプリングデータしか取得できない。２００ＭＨｚサンプリングＡ/Ｄ変換回路では２０個のサンプリングデータが取得でき、精度が２倍になる。またＳＶ波（Shear Vertical wave）、ＳＨ波の二振動子斜角探触子を用いた場合に、交互サンプリングをすると、サンプリング数が１／２となってしまう。従って、周波数が高くなるほど、また二振動子斜角探触子による交互サンプリングを行う場合は、サンプリングレートの高いＡ/Ｄ変換回路を使用することが好ましい。
【００５２】
次に、デジタルフィルター２０によりノイズの低減を行う。デジタルフィルター２０はＦＩＲ型フィルター等が使用され、ＣＰＵからの指令によりエコー信号に合わせてカット周波数等の設定が可能である。また、別段、測定に支障がなければデジタルフィルター２０は使用しなくてもよい。
【００５３】
次に、加算平均回路２１によりノイズ低減を行う。加算平均回路２１は、同じ測定を何回も繰り返し，その平均を求めることで，ノイズを減少させて信号を検出するもので、加算回数を１回から１０００回程度まで任意に設定できる。
加算平均回路２１の動作は、以下の式で表わされる。
【００５４】
【数６】
【００５５】
図７に正弦波を使用し、１０００回までの同期加算を行った結果を示す。１０００回の同期加算において正弦波が鮮明に再現されていることがわかる。
【００５６】
実際には、１回目にサンプリングした受信信号と、２回目にサンプリングした受信信号とを、同一時間軸上で加算し、受信信号の平均をとることでノイズを低減する。従って、例えば１００回の同期加算を行う場合には、１００回の送信信号を発射して、１００回の受信信号をサンプリングした後に、表示部２３に１つの受信データが表示される。
【００５７】
同期加算を経て、ノイズが低減されたエコー信号は、相互相関処理部２２で参照波形との相互相関処理を行うことにより圧縮される。参照波形は送信時に使用した圧縮波形を使用するが、この参照波形を別に用意してもかまわない。相互相関関数は，２つの信号ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）との類似性を表すのに使用される。また，ある信号波形が，別の信号波形のどの部分に似ているのかを調べることができ、似ている部分があるとすれば両信号波形はどのくらいの時間差（遅れ時間）があるのかを調べることもできる。
信号ｘ（ｔ），ｙ（ｔ）の離散データｘ（ｉ）｛ｉ＝（０，１，２,・・・，Ｎ−１）｝，ｙ（ｉ）｛ｉ＝（０，１，２,・・・，Ｎ−１）｝の相互相関関数Ｒxy（ｊ）の定義式は以下の通りである。
【００５８】
【数７】
【００５９】
相互相関処理後のエコー信号は、表示部２３に表示される。図８に示すように、従来の処理方法と比較すると、本発明に係るパルス圧縮方法は、ノイズが低減されており、ＳＮ比も向上している。
【００６０】
勿論、チャープ波圧縮信号を使用する代わりに、短パルス、バースト信号、スパイク波、ステップ関数波、等の任意波形をデジタル波形発生装置３で発生させて使用することも可能である。これらの信号を使用しても、本発明に係る超音波診断装置の受信側は、バンドパスフィルター１５、デジタルフィルター２０および、加算平均回路２１を備えているため、従来の方式より、遥かにノイズが低減されたエコー信号を得ることできる。
【００６１】
また、コンクリート探傷を行う場合は、９０度ＳＨ斜角探触子に変えて、Ｐ波振動子を有する探触子を使用し、同様に送信信号としてチャープ波圧縮信号を使用して計測をするのが好ましい。Ｐ波（Longitudinal wave）は疎密で、密度変化として被検体内を伝搬するため、コンクリート探傷に適している。
【００６２】
コンクリート探傷には、比較的低い周波数の信号を使用できるが、広帯域の信号を使用する必要性がある。コンクリート内はコンクリートの経年変化により劣化しているため、減衰が著しく、信号は欠陥まで到達しにくい。低い周波数の信号を使用すれば、信号は深いところにまで到達するが、小さな欠陥を見落としやすくなる。本発明に係る超音波診断装置では、チャープ波圧縮信号を使用することで広帯域な信号を作り出すことができるため、伝達深度を上げることが可能である。
【００６３】
次に、図９の二振動子斜角探触子について説明する。二振動子斜角探触子は小さい欠陥の探傷、欠陥までの距離測定等に使用される。ＳＶ波用の振動子２５と、ＳＨ波用の振動子２６とをそれぞれ片方ずつに配置し、９０度二振動子斜角探触子を形成する。
【００６４】
一般に、ＳＨ波は反射によるモード変化を起こしにくいが、被検体内に入りにくいため被検体内の欠陥を診断するのが難しい。一方、ＳＶ波は被検体内に入りやすいが、表面の影響を受けやすく、反射によるモード変換が起こるため、広範囲にわたって欠陥を診断するのが難しい。このため９０度ＳＨ斜角探触子の代わりに、ＳＶ波用の振動子２５と、ＳＨ波用の振動子２６とを備えた９０度二振動子斜角探触子を用いて、送信波形としてＳＶ波と、ＳＨ波とを交互に被検体内に伝搬させることで、欠陥を正確に計測することができる。
【００６５】
また、ＳＶ波とＳＨ波とを受信側の９０度二振動子斜角探触子で交互に受信し、表示部に同時に表示することにより、欠陥の位置をより明確に診断することができる。
【００６６】
さらに、受信側を２つ設けることによって、いずれか一方の信号のみを発信した場合にも、ＳＶ波、ＳＨ波を同時に受信することができ、間接反射波によるモード変換の影響や遅れエコー観測を容易にし、欠陥の判定をしやすくすることもできる。
【００６７】
次に、９０度ＳＨ斜角探触子の実際の設計例について説明する。９０度ＳＨ斜角探触子から被検体へＳＨ波が伝播するとき、ＳＨ波は屈折が生じる。ＳＨ波の入射角、反射角および屈折角は、一般的に図１０のように表すことができる。
【００６８】
今回製作した９０度ＳＨ斜角探触子は、材質がコンポジット材（１−３）からなる振動子と、材質がポリスチレンからなる楔とを含む。ポリスチレン内の超音波横波速度は１１３５ｍ／ｓで、鋼板（被検体）の超音波横波速度は３２４５ｍ／ｓである。このときの入射角ｇは、ｇ＝（ａｒｃ）ｓｉｎ［｛（１１３５ｍ／ｓ）／（３２４５ｍ／ｓ）}×ｓｉｎ９０°］＝２０．５°である。この角度でＳＨ波が鋼板に発射された場合にのみ、ＳＨ波は鋼板内を平行に進む。入射角ｇがこの角度となるように製作した９０度ＳＨ斜角探触子を使用した場合における、探触子の特性、インピーダンスの測定結果、共振・反共振特性のデータを図１１、図１２、図１３に示す。これらの図に示された測定結果から、所望の９０度ＳＨ斜角探触子が正しく製作できたことが分かる。
【００６９】
９０度ＳＨ斜角探触子の楔材であるポリスチレンの、各周波数における損失データ（減衰率）を図１４に示す。アクリルの減衰率２７とポリスチレンの減衰率２９とを比較すると、試験周波数による違いはあるものの、周波数１ＭＨｚでのポリスチレンの減衰率２９は０．０９ｄＢ／ｍｍ、アクリルの減衰率２７は０．１８ｄＢ／ｍｍとなり、ポリスチレンの減衰率２９はアクリルの減衰率２７の１／２程度と小さく、また０．５ＭＨｚでは、ポリスチレンの減衰率２９は０．０８ｄＢ／ｍｍであるのに対して、アクリルの減衰率２７は０．２２ｄＢ／ｍｍと約１／４の減衰率を示した。ポリエーテルイミドの減衰率２８はアクリルとポリスチレンとの中間的な値を示した。
【００７０】
振動子の材質について、セラミックとコンポジット材（１−３）との比較を図１５に示す。図１５は、長さ４０ｍｍのポリエーテルイミドを遅延材として０．５ＭＨｚのバースト波５波でのテストを行った結果である。コンポジット材（１−３）の振動子はセラミックの振動子よりも１４ｄＢ〜２０ｄＢ（５〜１０倍）高い感度を示した。また単純に振動子材を比較するため、面積比を考慮して計算するとコンポジット材（１−３）の方が、セラミックより７〜１４ｄＢ感度が高い結果となった。なお、振動子の材質としてコンポジット材（１−３）を使用したが、他の種類のコンポジット材を使用しても良い。
【００７１】
本発明に係る超音波診断装置を使用して、厚み２０ｍｍ、巾１５００ｍｍの鋼板にテスト的に欠陥を９つ形成して測定をした結果が図１６である。欠陥の大きさは直径３ｍｍ程度とし、鋼板表面から深さ５ｍｍ程度のところに形成した。
【００７２】
図１６において、点１は端点より５００ｍｍ、点２は６５０ｍｍ、点３は７００ｍｍ、点４は８００ｍｍ、点５は８５０ｍ、点６は９５０ｍｍ、点７は１０００ｍｍ、点８は１１００ｍｍ、点９は１２００ｍｍの位置に形成した欠陥を示している。
【００７３】
実際のノイズが含まれたバースト波形を使用して従来の方法で測定した結果と、パルス圧縮波を使用して本発明に係る方法で測定した結果を図１７に示す。
【００７４】
従来の方法では、点３、点６、点９以外の欠陥を確認することができない。これに対してパルス圧縮波を使用した本発明では、すべての欠陥を確認することができる。
【００７５】
図１８は、１００ｋＨｚのバースト波を使用した場合のエコー信号と、１００ｋＨｚをセンター周波数とした本発明に係るパルス圧縮波を使用した場合のエコー信号とを比較したものである。図１８の測定点Ａ、Ｂ、ＣでのＳＮ比は、本発明に係るパルス圧縮波を使用した場合のエコー信号の方が約２０ｄＢ改善されている。
【００７６】
以上の点から、本発明に係る超音波診断装置は、チャープ波圧縮信号を使用しているため、ノイズが低減された信号を得ることができる。また、本発明に係る超音波診断装置は、チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成し、そのＳＨ波を被検体内に伝搬させる探触子を含んでいるため、被検体内に存在する欠陥を広範囲にわたって診断することができる。従って、本発明に係る超音波診断装置は、橋梁の診断に特に適している。
【００７７】
図１９に示されるようにソフトウェア的な処理により、エコー信号に自己相関関数を加えることによって、さらにノイズ低減をさせることができ、より明確なエコー信号を得ることができる。
【００７８】
また、鋼板およびコンクリート用の診断装置として、フェイズドアレイセンサを使用することにより、計測の方向制御を行ったり、内部を面で捉えたりすることも可能である。
【００７９】
９０度ＳＨ斜角探触子は、発射角が存在するため、被検体全体を網羅できない場合がある。しかしながら、図２０に示すように、９０度ＳＨ斜角探触子は簡単に移動させることができるため、９０度ＳＨ斜角探触子の位置を変えた複数回の計測により、被検体全体を計測できる。
【００８０】
本発明に係る超音波診断装置ではＳＨ波を使用しているため、図２１に示すように、コンクリート面に接している鋼板（被検体）も検査することが可能である。このため従来のＳＶ波では、コンクリートの影響を受けてしまい正確なエコー信号を観測しにくかった、測定点から離れたところにある錆、亀裂等の欠陥を容易に発見することができる。
【００８１】
また、二振動子探触子を使用して、ＳＨ波を出力し、ＳＶ波を受信することも有用である。ＳＨ波はモード変換がおこりにくく、周囲の影響を受けにくい信号であるが、二振動子探触子を使用することで、間接反射によるモード変換があった場合でも、ＳＶ波を受信することができ、正確に欠陥を把握できる。
【００８２】
さらに、欠陥情報を正確に得る方法としては、図２２の様に二振動子探触子を欠陥付近で使用し、さらに詳細な情報を計測すればよい。
【００８３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８４】
１ ＣＰＵ
２ パラメータ設定部
３ デジタル波形発生装置（信号発生部）
４ ハミング窓関数処理部
５ 自己相関関数処理部（圧縮処理部）
６ フィルター処理部
７Ａ、７Ｂ Ｄ／Ａ変換回路
８ レベル変換部
９ 電源装置
１０ 送信部
１１ 探触子
１２ ＣＰＵ
１３ 探触子
１４ インピーダンスマッチング部
１５ バンドパスフィルター
１６ Ｄ／Ａ変換回路
１７ プログラマブルアッテネータ
１８ 増幅器
１９ Ａ／Ｄ変換回路
２０ デジタルフィルター
２１ 加算平均回路
２２ 相互相関処理部
２３ 表示部
１０１ 同期信号発生部
１０２ 送信部
１０３ 探触子
１０４ 被検体
１０５ 受信部
１０６ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、
チャープ波を生成する信号発生部と、
前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、
前記チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成して前記被検体内に伝搬させる探触子と、
を含む超音波診断装置。
【請求項２】
前記探触子は、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波を受信する請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記探触子とは別に、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波を受信する受信用の探触子をさらに含む請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記探触子により受信した前記ＳＨ波に対してノイズ処理を行うノイズ処理部と、
前記ノイズ処理が行われた前記ＳＨ波と参照波形との相互相関をとる相互相関処理部と、
前記相互相関処理後の前記ＳＨ波を表示する表示部と、
をさらに含む請求項２または３に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記ノイズ処理部は、前記探触子により受信した前記ＳＨ波を加算平均する加算平均回路を含む請求項４に記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記探触子は、コンポジット材からなる振動子と、ポリスチレンからなる楔と、を含む請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項７】
被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、
チャープ波を生成する信号発生部と、
前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、
前記チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波およびＳＶ波を生成して前記被検体内に交互に伝搬させる二振動子探触子と、
を含む超音波診断装置。
【請求項８】
前記二振動子探触子は、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を受信する請求項７に記載の超音波診断装置。
【請求項９】
前記二振動子探触子とは別に、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を受信する受信用の二振動子探触子をさらに含む請求項７に記載の超音波診断装置。
【請求項１０】
前記二振動子探触子により受信した前記ＳＨ波および前記ＳＶ波に対してノイズ処理を行うノイズ処理部と、
前記ノイズ処理が行われた前記ＳＨ波および前記ＳＶ波と参照波形との相互相関をとる相互相関処理部と、
前記相互相関処理後の前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を同時に表示する表示部と、
をさらに含む請求項８または９に記載の超音波診断装置。
【請求項１１】
前記ノイズ処理部は、前記二振動子探触子により受信した前記ＳＨ波および前記ＳＶ波をそれぞれ加算平均する加算平均回路を含む請求項１０に記載の超音波診断装置。
【請求項１２】
コンクリート内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、
チャープ波を生成する信号発生部と、
前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、
前記チャープ波圧縮信号に基づいてＰ波を生成して前記コンクリート内に伝搬させるＰ波振動子と、
を含む超音波診断装置。
【請求項１】
被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、
チャープ波を生成する信号発生部と、
前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、
前記チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波を生成して前記被検体内に伝搬させる探触子と、
を含む超音波診断装置。
【請求項２】
前記探触子は、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波を受信する請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記探触子とは別に、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波を受信する受信用の探触子をさらに含む請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記探触子により受信した前記ＳＨ波に対してノイズ処理を行うノイズ処理部と、
前記ノイズ処理が行われた前記ＳＨ波と参照波形との相互相関をとる相互相関処理部と、
前記相互相関処理後の前記ＳＨ波を表示する表示部と、
をさらに含む請求項２または３に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記ノイズ処理部は、前記探触子により受信した前記ＳＨ波を加算平均する加算平均回路を含む請求項４に記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記探触子は、コンポジット材からなる振動子と、ポリスチレンからなる楔と、を含む請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項７】
被検体内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、
チャープ波を生成する信号発生部と、
前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、
前記チャープ波圧縮信号に基づいてＳＨ波およびＳＶ波を生成して前記被検体内に交互に伝搬させる二振動子探触子と、
を含む超音波診断装置。
【請求項８】
前記二振動子探触子は、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を受信する請求項７に記載の超音波診断装置。
【請求項９】
前記二振動子探触子とは別に、前記被検体内の欠陥により反射された前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を受信する受信用の二振動子探触子をさらに含む請求項７に記載の超音波診断装置。
【請求項１０】
前記二振動子探触子により受信した前記ＳＨ波および前記ＳＶ波に対してノイズ処理を行うノイズ処理部と、
前記ノイズ処理が行われた前記ＳＨ波および前記ＳＶ波と参照波形との相互相関をとる相互相関処理部と、
前記相互相関処理後の前記ＳＨ波および前記ＳＶ波を同時に表示する表示部と、
をさらに含む請求項８または９に記載の超音波診断装置。
【請求項１１】
前記ノイズ処理部は、前記二振動子探触子により受信した前記ＳＨ波および前記ＳＶ波をそれぞれ加算平均する加算平均回路を含む請求項１０に記載の超音波診断装置。
【請求項１２】
コンクリート内の欠陥を検出する超音波診断装置であって、
チャープ波を生成する信号発生部と、
前記チャープ波に対して圧縮処理を行いチャープ波圧縮信号を出力する圧縮処理部と、
前記チャープ波圧縮信号に基づいてＰ波を生成して前記コンクリート内に伝搬させるＰ波振動子と、
を含む超音波診断装置。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１１−４７７６３（Ｐ２０１１−４７７６３Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９５６６１（Ｐ２００９−１９５６６１）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（５０４３５８２３０）
【出願人】（３９６０２２９４１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（５０４３５８２３０）
【出願人】（３９６０２２９４１）
【Ｆターム（参考）】
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