DE69033202T2

DE69033202T2 - Detektionsgerät

Info

Publication number: DE69033202T2
Application number: DE69033202T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Koike; Koichiro Misu; Tsutomu Nagatsuka; Shusou Wadaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1990-02-28
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2010-03-01
Also published as: EP0385420B1; DE69021908D1; EP0574964A3; EP0574963A3; US5203823A; DE69033144T2; US5415045A; US5417114A; EP0574963A2; EP0574964B1; EP0574963B1; EP0385420A3; DE69033144D1; DE69021908T2; EP0574964A2; EP0385420A2; DE69033202D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen einer Fehlstelle oder dergleichen innerhalb eines Prüflings und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Durchführung einer zerstörungsfreien Untersuchung unter Verwendung von Übertragungswellen wie Ultraschallwellen, elektrischen Wellen oder Mikrowellen.
Mehrere Aspekte des Standes der Technik sind zu berücksichtigen. Hinsichtlich des ersten Aspektes wird ein Impulssystem häufig in einer zerstörungsfreien Untersuchungsvorrichtung mit Ultraschallwellen verwendet. Die Konstruktion eines Beispiels nach dem Stand der Technik, welches ein Impulssystem verwendet, ist unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert.
Fig. 1 illustriert eine herkömmliche Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung mit Ultraschall in einem Blockschaltbild, welche beispielsweise auf den Seiten 114 bis 140; 173 bis 174 in "Ultrasonic Detec ting Method", zusammengestellt von Steel Production 19th Committee, Nihon Gakujutsu Shinkokai, veröffentlicht von Nikkan Kogyo Shimbunsha, 20. Dezember 1977, gezeigt ist.
In Fig. 1 ist eine herkömmliche Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung mit Ultraschall so ausgebildet, daß sie eine Impulserzeugungsschaltung 1, eine Ultraschallsonde 2, die mit der Impulserzeugungsschaltung 1 verbunden ist, eine Empfangsschaltung 3, die mit der Ultraschallsonde 2 verbunden ist, und eine Anzeigevorrichtung 4 wie eine Kathodenstrahlröhre oder dergleichen, welche mit der Empfangsschaltung verbunden ist, aufweist.
Die Ultraschallsonde 2 ist in Kontakt mit einem Prüfling S aus Stahl oder dergleichen.
Als Nächstes wird die Arbeitsweise des vorgenannten herkömmlichen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. 2 (a), (b) und (c) erläutert.
Die Impulserzeugungsschaltung 1 erzeugt Impulse mit einer kurzen Vibrationsdauer.
Die Ultraschallsonde 2 wird durch diese Impulse angetrieben, um Ultraschallwellen mit einer kurzen Impulsbreite in den Prüfling S auszusenden. Die Sonde empfängt Echos, die innerhalb des Prüflings S reflektiert wurden, und überträgt sie zu der Empfangsschaltung 3.
Die Empfangsschaltung 3 verstärkt das Reflexionsecho und überträgt es zu der Anzeigevorrichtung 4.
Die Anzeigevorrichtung 4 zeigt das verstärkte Refle xionsecho an. Wie in Fig. 2(b) gezeigt ist, erscheint das Reflexionsecho zum Zeitpunkt t = t&sub0;.
Die Zeit t&sub0; ist eine erforderliche Zeitspanne für die Ultraschallwelle, um einen Hin- und Rückweg zu einem reflektierenden Gegenstand innerhalb des Prüflings S zu machen, und daher ist es möglich, die Position des reflektierenden Gegenstands durch Messen der Zeit t&sub0; zu berechnen.
Bei dem vorstehend erläuterten Beispiel besteht jedoch das Problem, daß die Positionserfassung des reflektierenden Gegenstands nicht mit hoher Genauigkeit gemacht werden kann, wenn der Pegel des Reflexionsechos gering ist und der Pegel von das Reflexionsecho überlappendem Rauschen hoch ist, d. h. der Rauschabstand nicht gut ist. Eine Gegenmaßnahme zur Lösung des obigen Problems wäre eine Erhöhung der Impulsamplitude zum Treiben der Sonde 2. Jedoch kann eine derartige Gegenmaßnahme keine perfekte Lösung werden, da es eine obere Begrenzung bei der Vergrößerung der Impulsamplitude gibt aus Gründen der Leistungsbegrenzung für Elemente, die die Impulserzeugungsschaltung 1 bilden, sowie der Leistungsbegrenzung für die Sonde 2 beim Widerstehen der elektrischen Energie.
Andererseits wurde, wie bekannt ist, eine Ultraschall-Prüfvorrichtung zum Erfassen einer Fehlstelle in einem metallischen Material manuell betätigt und eine automatische Ultraschall-Prüfvorrichtung wurde kürzlich in weitem Umfang eingeführt für den Zweck der Förderung der Zuverlässigkeit und der Durchführung einer wirksamen Prüfung.
Jedoch hat es mehrere Probleme bei der automatischen Prüfung von Fehlstellen gegeben und eines von diesen besteht darin, einen guten Rauschabstand sicherzustellen. Während mehrere Faktoren betrachtet werden, welche den Rauschabstand verschlechtern, können sie groß in zwei Fälle klassifiziert werden, nämlich den einen Fall, bei dem ein Erfassungssignalpegel gering ist, und den anderen Fall, bei dem der Pegel eines Signals, das nicht für die Erfassung verwendet wird (z. B. der Störpegel) hoch ist.
Bezüglich des Falles, bei dem der Erfassungssignalpegel niedrig ist, wird im Allgemeinen berücksichtigt, daß ein zu einem Signalempfangsverstärker übertragenes Eingangssignal ziemlich niedrig ist.
Eine derartige Tatsache, daß wenn der Pegel des Erfassungssignals niedrig ist, dieser innerhalb des Verstärkerrauschens, welches inhärent aufgrund von thermischer Ionenbewegung in einem Empfangssignalverstärker erzeugt wird, begraben würde, wodurch der Rauschabstand verschlechtert wird, wurde öffentlich bekannt, durch die Beschreibung auf den Seiten 177 bis 181 von "Ultrasonic Testing Technology" veröffentlicht von Inc. Association - Nihon Nohritsu Kyokai, 25. Februar 1980. Um den Rauschabstand in dem Fall eines niedrigen Eingangssignalpegels zu verbessern, wird allgemein vorgeschlagen, die Amplitude eines eine Sonde treibenden elektrischen Signals größer zu machen, so daß der Signalpegel höher wird. Jedoch besteht eine obere Begrenzung in Bezug auf eine elektrische Impulsspannung wegen der Begrenzung für die elektrischen Elemente, die einen Übertragungsteil bilden, und einer Stehspannung der Sonde. Auch ist es nicht erlaubt, eine elektrische Spannung, welche einem Signalübertragungsbereich aufgezwungen wird, höher zu machen, um zu verhindern, daß er innerhalb ei ner explosiven Atmosphäre aufgrund einer möglichen elektrischen Entladung Feuer fängt.
Hinsichtlich des Falles, bei welchem ein nicht für die Erfassung verwendeter Signalpegel (d. h. ein Störpegel) hoch ist, ist festzustellen, daß eines dieser Probleme darin besteht, daß die Störung von einer äußeren Quelle bewirkt wird. Es ist bekannt, wie auf den Seiten 296 bis 298 von "Ultrasonic Testing Technology" veröffentlicht von Inc. Association - Nihon Nohritsu Kyokai, 25. Februar 1980, offenbart ist, daß das Mischen der externen elektrischen Störung in einen das Erfassungssignal verstärkenden Verstärker oder ein Signalverarbeitungssystem eine Herabsetzung der Zuverlässigkeit der Prüfung bewirkt. Außerdem ist es ziemlich selten, daß alle von außen kommenden Störungen vollständig beseitigt werden können.
Hinsichtlich des anderen Falles können solche Probleme auftreten wie die Anwesenheit eines störenden Echos aufgrund einer internen Konstruktion eines Prüflings oder eines Nachhallechos, welches eine Hochgeschwindigkeitsprüfung stört.
Bezüglich des störenden Echos aufgrund der internen Konstruktion eines Prüflings ist es eine Erscheinung, welche in einem Fall auftritt, in welchem eine interne Konstruktion aus einem solchen Material wie rostfreiem Stahl oder Gußeisen relativ grob ist. Die Anwesenheit eines störenden Echos, das als "Grove-Echo" bezeichnet wird, von einer internen Konstruktion, das in einem derartigen Prüfling wie oben beschrieben zu der Zeit der Untersuchung des Prüflings beobachtet wird, ist bekannt, wie auf den Seiten 548 bis 553 von "Ultrasonic Inspecting Process" veröffentlicht von Kikkan Kogyo Shimbunsha, 1. Juni 1984, offenbart ist. Es ist schwierig, eine kleine Fehlstelle zu finden, da die Situation des störenden Echos schwankt in Abhängigkeit von der Veränderung des Herstellungsprozesses des Prüflings und/oder der verwendeten Prüffrequenz.
Hinsichtlich der Störung des Echos aufgrund von Nachhall, was ein Problem bei einer Hochgeschwindigkeitsprüfung darstellt, wird es kritisch, wenn der Dämpfungsgrad eines Ultraschallsignals innerhalb eines Prüflings gering ist und eine Wiederholungsfrequenz für die Prüfung bei einer automatischen Prüfung hoch ist. Ein derartiges Problem wie vorstehend tritt in einem Fall auf, in welchem ein nachfolgender Sendeimpuls in einen Prüfling während einer Zeit geführt wird, in der das vorhergehende Ultraschallsignal innerhalb des Prüflings übertragen wird ohne ausreichend gedämpft zu sein.
Dieses Problem wird als eine Erscheinung verstanden, bei welchem das zu der Zeit der vorhergehenden Übertragung reflektierte Ultraschallsignal eine Interferenz bewirkt und dieser wird im Allgemeinen dadurch begegnet, daß die Wiederholungsprüffrequenz verringert wird, was inhärent von einer geringeren Prüfgeschwindigkeit begleitet wird, oder durch Erhöhen der Diffusionsgeschwindigkeit eines Ultraschallstrahls, wobei die Richtung des Ultraschallstrahls leicht geneigt ist. Es wird nun ein bekanntes, vorher praktiziertes Verfahren zum Verbessern des Rauschabstandes nachfolgend beschrieben.
Es wird im Allgemeinen als wirksam für die Verbesserung des Rauschabstandes bei einem Prüfsignal angesehen, einen Korrelationsprozess zu verwenden. Zuerst wird der Korrelationsprozess beschrieben.
Die Fig. 3(a) und (b) sind Diagramme, welche ein Operationsprinzip einer Barker-Folge als ein Beispiel einer endlichen binären Folge mit einer scharfen Korrelationsfunktion zeigen, die häufig als ein Synchronisierungsmuster bei einer Impulsübertragung verwendet wird. Fig. 4 zeigt Diagramme, welche ähnlich wie in Fig. 3 ein Operationsprinzip einer komplementären Folge als ein Beispiel einer endlichen binären Folge mit einer scharfen Korrelationsfunktion erläutern. Fig. 5 zeigt die Ausbildung einer Ultraschall- Prüfvorrichtung, welche einen Korrelationsprozess unter Verwendung einer zufälligen Codefolge durchführt. Fig. 6 ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Operation nach Fig. 5, und Fig. 7 ist ein Diagramm, welches Frequenzcharakteristiken eines Sendesignals, der Sonde und des Prüflings zeigt, welche in Fig. 6 dargestellt sind.
Fig. 3 zeigt eine Barker-Folge als eine von endlichen binären Folgen mit einer scharfen Korrelationsfunktion, die beispielsweise detailliert auf den Seiten 488 bis 490 von "Coding Theory" veröffentlicht von Shokodo, 30. Juni 1981 offenbart ist. In diesem Fall bedeutet "binär", daß sie zwei Zustände "+" und "-" besitzt.
Eine Korrelationsfunktion ρaa(k), worin k relativ zu einer binären Folge variabel ist, wir im Allgemeinen durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
worin die Länge der Folge ist.
In diesem Fall wird eine endliche Folge "a" behandelt als eine Folge von unendlicher Länge mit Serien von "0" an den beiden Seiten, wie durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt wird:
{aj} = 0 ... 0aoa&sub1; ..... an-100 ... 0 ... (2)
Da aj = 0 für den Bereich von j -1 und j n ist, kann die Gleichung (1) in die folgende Gleichung (3) umgewandelt werden:
Wie aus der Gleichung (3) ersichtlich ist, können Störpegel wie thermisches Rauschen, die keine Korrelation mit der Folge haben, reduziert werden, und ein Korrelationsprozess wird als ein wirksames Mittel zum Verbessern des Rauschabstandes relativ zum thermischen Rauschen angesehen. Dies wird auch als wirksam gegen weißes Rauschen angesehen, das in einer Prüfvorrichtung stört, wie elektrische Störungen, die von einem Motor oder einer Schweißvorrichtung abgeleitet sind.
Weiterhin ist zu der Zeit der Prüfung von Fehlstellen eine bestimmte Folge, deren Autokorrelationsfunktion ρaa(k) eine scharfe Spitze bei k = 0 hat und die in dem anderen Bereich (0 < k < n) ausreichend klein wird, erforderlich.
Ein absoluter Maximalwert ρ max in dem Bereich mit Ausnahme der Spitze (d. h., der als "Bereichs- Nebenkeulen" bezeichnet wird) zum Bewerten eines Autokorrelationsgrades einer binären Folge wird wie folgt durch die Gleichung (4) ausgedrückt:
ρ max = max{ ρaa(k) } ... (4)
In dieser Verbindung wird eine endliche binäre Folge, welche
ρ max = 1/n
genügt, insbesondere als eine Barker-Folge für die Unterscheidung bezeichnet.
Fig. 3(a) zeigt ein Signal der binären Folge, welche durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt wird, worin n = 7 ist:
{aj} = + + + - - + - ... (5)
Fig. 3(b) zeigt eine Autokorrelationsfunktion, die auf der Basis der Gleichung (3) berechnet wurde, worin -n k < n ist. Es ist festzustellen, daß der Maximalwert bei k = 0 aufgezeichnet ist, und daß in den anderen Bereichen er 1/n als das Maximum ist (in diesem Fall 1/7). Fig. 4 zeigt eine komplementäre Folge, welche eine von endlichen binären Folgen mit einer scharfen Korrelationsfunktion ist.
Aus der Gleichung (3) wird klar, daß es keine binäre Folge mit endlicher Länge gibt, deren Autokorrelationsfunktion Null wird an allen Punkten außer dem Punkt k = 0.
Jedoch kann ein Fall eintreten, bei dem die Summe von jeweiligen Autokorrelationsfunktionen ρaa(k) und ρbb (k) von zwei binären Folgen {aj} und {bj}, die jeweils eine Länge von n haben, d. h.
ρ(k) = ρaa(k) + ρbb(k) ... (6)
Null wird an allen Punkten mit Ausnahme des Punktes k = 0.
Diese beiden Folgen {aj} und {bj} werden als eine komplementäre Folge bezeichnet.
Fig. 4(a) zeigt ein Beispiel einer komplementären Folge, worin n = 4 ist und stellt ein Signal einer binären Folge dar, die durch die Gleichung (7) ausgedrückt ist:
{aj} = + + + -
{bj} = + - + + ... (7)
Fig. 4(b) zeigt Autokorrelationsfunktionen von {aj} und {bj} in dem Bereich von -n k < n, die auf der Grundlage der Gleichung (3) berechnet wurden.
Fig. 4(c) zeigt die Summe ρ(k) der jeweiligen auf der Grundlage der Gleichung (6) berechneten Autokorrelationsfunktionen. Wie aus dieser Zeichnung ersichtlich ist, ist es theoretisch möglich, die Pegel von Bereichs-Nebenkeulen zu Null zu machen.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel, das detailliert auf den Seiten 888 bis 891 von "High-Speed Digital Golay Code Flaw Detection System, IEE 1981 Ultrasonic Symposium Proceeding" von B.B. Lee und E.S. Furgason (nachfolgend als Bezugnahme A bezeichnet) diskutiert wird, worin 1 eine Sonde bezeichnet, 2 einen Sender, 5 eine Codeerzeugungsquelle, 10 einen analogen Korrelator, 11 eine Anzeigevorrichtung, 12a und 12b bipolare Umwandler, 13 ein Auswahlglied, 14 eine digitale Verzögerungsleitung, 15 eine Systemsteuervorrichtung, 16 ein Wasserbad und 17 ein Ziel.
Fig. 6 sind Zeichnungen zum Erläutern der Arbeitsweise nach Fig. 5. Fig. 6(a), 6(b), 6(c) und 6(d) zeigen ein synchronisierendes Signal, eine Codefolge, ein Auswahlsignal und ein Ausgangssignal des bipolaren Umwandlers 12 an.
Mit dem synchronisierenden Signal nach Fig. 6(a) von der Systemsteuervorrichtung 15 erzeugt die Codeerzeugungsquelle 5 eine binäre Codequelle, wie sie in Fig. 6(b) gezeigt ist. Die in der Codeerzeugungsquelle 5 erzeugte Codefolge wird in den bipolaren Umwandler 12a eingegeben, der durch das Auswahlglied 13 mit dem Sender 2 verbunden ist, sowie in die digitale Verzögerungsleitung 14. Die in den bipolaren Umwandler 12a, der mit dem Sender 2 verbunden ist, eingegebene Codefolge besitzt eine Amplitude von +/- in Abhängigkeit von ihrem Code an dem bipolaren Umwandler, und daher wird das Ausgangssignal nach Fig. 6(d) in den Sender 2 eingegeben und als ein verstärkter Sendeimpuls zu der Sonde 1 geführt. Ein von der Sonde 1 abgestrahltes Ultraschallsignal wird an dem Ziel 17 innerhalb des Wasserbades 16 reflektiert, als ein Empfangssignal zu der Sonde 1 zurückgeführt und von dort zu dem analogen Korrelator 10 geleitet.
Die in die digitale Verzögerungsleitung 14 eingegebene Codefolge nach Fig. 6(b) wird um eine Zeit (t'), die durch die Systemsteuervorrichtung 15 vorgegeben ist, verzögert, in den anderen bipolaren Umwandler 12b als eine Bezugscodefolge [Fig. 6(f)] eingegeben und als ein Signal für eine Korrelationsverarbeitung mit einer Amplitude von +/-, die in Abhängigkeit von dem Eingangscode in den bipolaren Umwandler 12b gegeben wird, zu dem analogen Korrelator 10 geleitet.
Innerhalb des analogen Korrelators 10 wird die Operation auf der linken Seite der Gleichung (3) unter Verwendung einer Multipliziervorrichtung 10a und eines Integrators 10b durchgeführt, worin die Verzögerungszeit "t'" des Bezugssignalcodes [Fig. 6(f)] dem Wert "k" in der Gleichung (3) entspricht. Daher kann eine untersuchte Wellenform nach dem Korrelationsprozess durch die Anzeigevorrichtung angezeigt werden durch Verändern der Verzögerungszeit t' in jedem Zyklus des wiederholten Aussendens in der Systemsteuervorrichtung 15.
Durch Verwendung des obigen Korrelationsprozesses wurde der Rauschabstand verbessert.
In dem Fall, in welchem der Prozeß der komplementären Folge, der betreffend Fig. 4 erläutert wurde, mit der obigen Vorrichtung ausgeführt wird, ist es nicht möglich, die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung zu verwenden, und die Hinzufügung einiger Speichermittel und einiger Mittel zum Summieren der Operationsergebnisse der Korrelationsoperation bei zwei Folgen wäre erforderlich.
Bei einer bekannten Ultraschall-Prüfvorrichtung, welche einen Korrelationsprozess unter Verwendung einer Binärfolge endlicher Länge durchgeführt wird, werden Übertragungssignale mit einem Pegel von +/- zu einer Sonde gegeben. Fig. 7 zeigt die Frequenzcharakteristiken einer Sonde usw., welche für eine Fehlstellen- Prüfvorrichtung verwendet wird, und "a" von Fig. 7 zeigt ein Frequenzansprechen einer Sonde 1 an, "b" eine Frequenzchatakteristik einer Sendesignal- Wellenform, die in einer bekannten Vorrichtung verwendet wird, und "c" eine Frequenzansprechcharakteristik eines Prüflings, in welchem beispielsweise die Dämpfung relativ groß ist. Es hat das Problem bestanden, daß das zu der Sonde 1 gelieferte Sendesignal aufgrund seines Merkmals als ein Impulssignal seine Energie in einem relativ niedrigen Frequenzbereich besitzt, und die Energie in dem niedrigen Frequenzbereich von der Sonde 1 nicht wirksam ausgenutzt wurde aufgrund ihrer Frequenzcharakteristiken.
Zusätzlich zu dem Obigen ist ersichtlich, daß die Frequenzcharakteristik eines in einen Körper eines Prüflings abgestrahlten Ultraschallstrahls von der Frequenzcharakteristik der Sonde abhängt, da der Frequenzbereich des Sendesignals weit ist. Dies zeigt an, daß Herstellungstoleranzen einer Sonde eine Fehlstellen-Erfassungsfrequenz beeinträchtigen, wodurch ein Problem dahingehend besteht, daß Ergebnisse der Fehlstellenerfassung nicht konstant sind, wenn die Sonde zu der anderen umgeschaltet wird. Weiterhin zeigt Fig. 7 an, daß ein bestimmter Teil eines Frequenzbereichs, in welchem eine Sonde effektiv genutzt wird, abgeschnitten ist in Abhängigkeit von einer Dämpfungscharakteristik eines Prüflings. Daher besteht ein anderes Problem dahingehend, daß das Rauschen in einem Fall, in welchem die Dämpfung in einem Prüfling hoch ist, auf einem bestimmten Pegel verbleiben kann, und ein Rauschabstand wird wahrscheinlich schlechter, selbst wenn ein Rauschabstand durch einen herkömmlichen Korrelationsprozess verbessert wird, wodurch die Vergrößerung der Amplitude des Sendesignals erforderlich ist.
Es hat auch ein weiteres Problem dahingehend bestanden, daß eine Komponente der Codefolge übrig bleiben kann, selbst wenn ein Korrelationsprozess durchgeführt wird, und sie nicht reduziert werden kann, weil ein störendes Echo auf einer inneren Konstruktion eines Prüflings oder aufgrund der Tatsache, daß sie von einem Nachhallecho bei einer Hochgeschwindigkeitsprüfung abgeleitet ist, beruht.
Es gibt weitere Dokumente in den Namen derselben Autoren wie denen der Bezugnahme A mit Bezug auf eine herkömmliche zerstörungsfreie Ultraschall- Prüfvorrichtung wie folgt.
"An Evaluation of Ultrasound NDE Correlation Flaw Detection Systems", IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Band SU-29, Nr. 6, November 1982, Seiten 359 bis 369 (Bezugnahme B); und "High-Speed Digital Golay Code Flaw Detection Systems"; Ultrasonics, Juli 1983, Seiten 153 bis 161 (Bezugnahme C).
Die Arbeitsweise eines herkömmlichen Beispiels, das in Fig. 5 gezeigt ist, wird wieder erwähnt aus einem weiteren, auf die Fig. 8 und 9 bezogenen Aspekt. Fig. 8 zeigt eine Wellenform eines Sendesignals in einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall- Prüfvorrichtung, die beispielsweise in der Bezugnahme B gezeigt ist, und Fig. 9 zeigt eine Wellenform eines komprimierten Impulses in einer herkömmlichen Vorrichtung, die in der Bezugnahme B gezeigt ist. In Fig. 8 wird die Abszisse durch Einheiten von Bits ausgedrückt, und somit kann sie als eine Zeit betrachtet werden, wenn eine Zeiteinheit entsprechend einer Biteinheit verwendet wird. In der Bezugnahme B wird eine Zeiteinheit entsprechend einer Biteinheit durch ein Symbol δ dargestellt. Daher beträgt die Impulsbreite des Sendesignals 63 · δ.
Dieses Sendesignal ist eines, das ein Frequenzband als ein Basisband hat, worin eine Amplitude hiervon durch eine spezielle Folge kodiert ist. Der Kodierprozess wird später diskutiert, aber die darin verwendete Folge wird erläutert.
Eine Folge von endlicher Länge mit einer Länge von 63 Bits wird verwendet und sie wird erzeugt durch Schneiden eines Zyklus einer M-Folge (Folge mit maximaler Länge) mit einer Zykluslänge von 63 Bits.
Die M-Folge wird im Einzelnen erläutert beispielsweise auf den Seiten 474 bis 499 von "Coding Theory" der Autoren Hiroshi Miyagawa, Yoshihiro Iwataru und Hideki Iwai, veröffentlicht von Shokodo, 29. Juni 1989 (Bezugnahme D), welche Bezugnahme bereits erwähnt wurde. Die M-Folge ist eine zyklische Folge von unendlicher Länge und ihre die Folge bildende Komponente ist eine binäre Folge mit zwei Elementen. Für die beiden Elemente werden Codes "+" und "-" oder numerische Werte "+1" und "-1" oder "1" und "0" zugewiesen in Abhängigkeit von dem Fall. In dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel wird eine Folge endlicher Länge erzeugt durch Herausnehmen eines Zyklus aus der M-Folge mit einer unendlichen Länge und einer Zykluslänge von 63 Bits.
Als Nächstes wird eine Erläuterung gegeben mit Bezug auf einen Amplitudenkodierungsprozess unter Verwendung dieser Folge mit endlicher Länge. Eine Amplitude wird auf +-1 moduliert mit ihren relativen Werten für jede Zeiteinheit δ entsprechend der Auftrittsreihenfolge der Folgeelemente "+-" durch Zuweisung einer Amplitude "+1" und einer Amplitude "-1" zu einem Element "+1" und einem Element "-1", welche die endliche Folge bilden. Diese Signale werden als kodierte Signale bezeichnet.
In Fig. 9 wird ähnlich wie in Fig. 8 die Abszisse ausgedrückt durch eine Biteinheit, und sie wird als eine Zeit betrachtet, wenn eine Zeiteinheit δ einer Biteinheit zugewiesen ist.
Dieser komprimierte Impuls ist ein Beispiel, bei welchem ein Sendesignal in seiner Amplitude durch eine Folge endlicher Länge von 64 Bits kodiert ist. Diese Folge wird erzeugt durch Hinzufügen eines Bits zu der Folge endlicher Länge von 63 Bits, die für die Erzeugung des in Fig. 8 gezeigten Sendesignals verwendet wird. Daher ist die Impulsbreite dieses Sendesignals gleich 64 δ. Die Impulsbreite des Echos ist nahezu gleich der obigen Länge.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist der größte Teil der komprimierten Impulsenergie auf den mittleren Zeitbereich (mehrere Bits · δ) in der Zeichnung konzentriert. Der mittlere Signalbereich mit einer großen Amplitude wird als eine Hauptkeule eines komprimierten Impulses bezeichnet. Die Impulsbreite der Hauptkeule ist klein. Dies bedeutet, daß die Energie des Echos im Wesentlichen auf einen Punkt auf der Zeitachse konzentriert ist. Teile von Signalen mit kleinen Amplituden auf den entgegengesetzten Seiten werden als Bereichs-Nebenkeulen eines komprimierten Impulses bezeichnet.
Ein Sendesignal wie das in Fig. 8 gezeigte wird von der Signalquelle 5 und der digitalen Verzögerungsleitung 14 durch den bipolaren Umwandler 12a und den Sender 2 erzeugt. Die Ultraschallsonde 1 wird von diesem Signal betrieben.
Die von der Ultraschallsonde 1 abgestrahlte Ultraschallwelle wird an dem Ziel 17 reflektiert und von der Sonde 1 empfangen. Das von der Sonde 1 empfangene Echo wird zu der Multipliziervorrichtung 10a des analogen Korrelators 10 übertragen.
Die Impulsbreite des obigen Echos ist in der Länge nahezu gleich der des Sendesignals. D. h. die Energie des Echos ist nahezu gleichförmig über die Zeit (angenähert 63 · δ) verteilt, d. h. die Impulsbreite des Sendesignals.
Andererseits wird dasselbe Signal wie das obige Sendesignal zu der Multipliziervorrichtung 10a des analogen Korrelators 10 übertragen.
Der analoge Korrelator 10 führt eine Korrelationsoperation zwischen dem Echo und dem Sendesignal durch. Mit dieser Korrelationsoperation wird die Echoenergie, die angenähert gleichförmig über die Zeit auf der Zeitachse, die in der Länge äquivalent zu der des Sendesignals ist, verteilt ist, im Wesentlichen auf einen einzelnen Punkt auf der Zeitachse komprimiert. Der durch die obige Operation erhaltene Impuls wird als komprimierter Impuls bezeichnet.
Der von dem analogen Korrelator 10 erhaltene komprimierte Impuls wird zu der Anzeigevorrichtung 11 übertragen und als ein endgültiges Ergebnis angezeigt.
Die Abstandsauflösung der vorstehend erläuterten herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall- Prüfvorrichtung ist abhängig von der Impulsbreite der Hauptkeule eines komprimierten Impulses (einfach bezeichnet als Impulsbreite eines komprimierten Impulses). Während die Impulsbreite des Sendesignals breit ist, ist die Impulsbreite des komprimierten Impulses, wie vorstehend erwähnt ist, schmal. Daher wird bei der herkömmlichen Vorrichtung eine Auflösungsleistung erhalten, welche ähnlich ist derjenigen in dem Fall einer zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung, die ein Impulsechoverfahren mit der Verwendung eines Sendesignals, das ursprünglich eine schmale Impulsbreite hat, anwendet.
Andererseits wird der Rauschabstand größer, wenn die mittlere Energie eines Sendesignals größer wird. Die mittlere Energie eines Sendesignals wird größer, wenn die Impulsbreite des Sendesignals weiter wird. Daher kann bei der herkömmlichen zerstörungsfreien Prüfvorrichtung ein größerer Rauschabstand erhalten werden im Vergleich zu demjenigen, der durch ein Impulsechoverfahren erhalten wird, das ein Sendesignal mit einer ursprünglich schmalen Impulsbreite verwendet.
Wie vorstehend erläutert ist, können eine gute Auflösung und ein hoher Rauschabstand bei einer herkömmli chen zerstörungsfreien Ultraschall Prüfvorrichtung erhalten werden.
Jedoch besteht bei einer herkömmlichen zerstörungsfreien Prüfvorrichtung ein Problem dahingehend, daß, wenn die Pegel der Bereichs-Nebenkeulen hoch sind, eine Position eines reflektierenden Körpers (wie einer Fehlstelle usw.) falsch erkannt werden kann als in einer Position entsprechend einer Zeit, in der eine Bereichs- Nebenkeule eines komprimierten Impulses auftritt.
Um ein derartiges Problem wie vorstehend zu vermeiden, ist es erforderlich, die Pegel der Bereichs- Nebenkeulen des komprimierten Impulses zu senken. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Pegel von Bereichs-Nebenkeulen in einer Autokorrelationsfunktion einer zum Kodieren eines Sendesignals verwendeten Folge herabzusetzen.
Mit anderen Worten, es ist erforderlich, als eine für die Kodierung eines Sendesignals zu verwendende Folge eine Folge zu benutzen, in welcher der Pegel von Autokorrelationsfunktions-Bereichs-Nebenkeulen niedrig ist.
Nachfolgend erfolgt eine Erläuterung unter Bezugnahme auf Fig. 10 hinsichtlich der Bereichs-Nebenkeulen eines komprimierten Impulses und der Bereichs- Nebenkeulen einer Autokorrelationsfunktion einer Folge. Bezüglich der Definition betreffend eine Autokorrelationsfunktion einer Folge wird eine detaillierte Beschreibung in der Bezugnahme D gegeben.
Fig. 10 zeigt eines Wellenform, welche eine Autokorrelationsfunktion einer Folge mit endlicher Länge, die zur Kodierung des in Fig. 8 gezeigten Sendesignals verwendet wird, anzeigt.
Eine M-Folge ist, wie auf den Seiten 479 bis 483 der Bezugnahme D beschrieben ist, die Folge, in welcher eine Autokorrelationsfunktion hiervon eine als Hauptkeule bezeichnete scharfe Spitze und Bereichs- Nebenkeulen mit niedrigen Pegeln besitzt. Jedoch ist, wie auf Seite 489 der Bezugnahme D vermerkt ist, wenn eine Folge endlicher Länge erzeugt wird durch Aufnahme eines Zyklus einer zyklischen Folge mit einem niedrigen Pegel der Bereichs-Nebenkeule, ein Bereichs-Nebenkeulenpegel einer Autokorrelationsfunktion der wie vorstehend erzeugten Folge mit endlicher Länge nicht notwendigerweise niedrig, wie in Fig. 10 gezeigt ist, selbst wenn der Bereichs- Nebenkeulenpegel einer ursprünglichen Autokorrelationsfunktion einer zyklischen Folge niedrig ist.
Es wird auf den Seiten 479 bis 480 der Bezugnahme D beschrieben, daß ein Bereichs-Nebenkeulenpegel der Autokorrelationsfunktion der M-Folge gleich 1/n ist, worin eine Zykluslänge durch "n" ausgedrückt wird und ein Spitzenwert einer Hauptkeule durch Normalisierung als "1" gegeben ist. Daher ist in dem Fall, in welchem eine zyklische Länge 63 Bits beträgt, ein Bereichs-Nebenkeulenpegel gleich 1/63 = 0,0159. Jedoch ist unter Bezugnahme auf Fig. 10 zu bemerken, daß in der Autokorrelationsfunktion der Folge endlicher Länge, die zum Kodieren des Sendesignals nach Fig. 8 verwendet wird, ein Bereichs-Nebenkeulenpegel zumindest mehr als 0,1 und größer, um eine Ordnung, ist als der Pegel der M-Folgen-Autokorrelationsfunktions- Bereichs-Nebenkeulen.
Somit bestehe ein Problem dahingehend, daß, wenn eine als eine endliche Länge durch Schneiden von der M- Folge erzeugte Folge für die Kodierung eines Sendesignals verwendet wird, die Pegel der Bereichs- Nebenkeulen eines komprimierten Impulses hoch werden. Der in Fig. 9 gezeigte komprimierte Impuls ist ein Beispiel dafür, daß ein Bereichs-Nebenkeulenpegel hoch ist. Es wird auch in der Bezugnahme B offenbart, daß ein Versuch durchgeführt wurde mit der Verwendung einer Folge, bei der 63 Bits von einer M-Folge abgeschnitten wurden. In diesem Fall ist offenbart, daß, während eine Gestalt (Muster) von Bereichs- Nebenkeulen von der in Fig. 9 verschieden war, der Unterschied nicht über 3 dB hinaus war im Vergleich mit dem Fall nach Fig. 9. In diesen Beispielen ist festzustellen, daß, wenn eine Folge mit einem niedrigen Pegel in ihren Autokorrelationsfunktions- Bereichs-Nebenkeulen nicht als die Folge zum Kodieren eines Sendesignals verwendet wird, eine Herabsetzung eines Bereichs-Nebenkeulenpegels eines komprimierten Impulses nicht möglich ist.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß es als das Beste betrachtet wird, wenn eine Folge verfügbar ist, welche keine Bereichs-Nebenkeule in ihrer Autokorre lationsfunktion aufweist. Wie jedoch in der Bezugnahme D offenbart ist, gibt es keine binäre Folge endlicher Länge mit Nullbereichs-Nebenkeule.
Wie jedoch in derselben Bezugnahme D beschrieben ist, kann ein Fall eintreten, bei welchem, wenn jeweiligen Autokorrelationsfunktionen von zwei binären Folgen endlicher Länge, die jeweils dieselbe Länge haben, summiert werden, eine Bereichs-Nebenkeule nach dem Summiervorgang vollständig verschwindet. Zwei Folgen, welche ein Paar bilden, weisen ein derartiges Merkmal auf, wie es vorstehend als eine komplementäre Folge bezeichnet ist. Die komplementäre Folge ist im Einzelnen offenbart auf den Seiten 82 bis 87 von "Complementary Series, IRE Transactions on Information Theory, Band IT-7, April 1961 von M.J.E. Golay. Diese komplementäre Folge wird entweder als Golay- Komplementärfolge oder einfach Golay-Code bezeichnet. Es wird nun eine Autokorrelationsfunktion einer komplementären Folge unter Bezugnahme auf die Fig. 11(a), 11(b) und 12 erläutert.
Die Fig. 11(a) und 11(b) zeigen Wellenformen von Autokorrelationsfunktionen einer ersten und einer zweiten Folge, welche beispielsweise eine in der Bezugnahme D gezeigte komplementäre Folge bilden. Fig. 12 zeigt eine Wellenform, welche das Ergebnis des Summiervorgangs von Autokorrelationsfunktionen der ersten und der zweiten Folge anzeigt.
Wie aus den Fig. 11(a) und 11(b) ersichtlich ist, wird ein hoher Pegel in den Bereichs-Nebenkeulen bei der Autokorrelationsfunktionen beobachtet. Eine Autokorrelationsfunktion (nachfolgend als zusammengesetzte Autokorrelationsfunktion bezeichnet) die durch einen Summiervorgang erhalten wurde, hat in der Mitte, wie in Fig. 12 gezeigt ist, nur eine scharfe Spitze entsprechend einer Hauptkeule und überhaupt keine Bereichs-Nebenkeule.
In den Bezugnahmen A und C wird eine zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung offenbart. Zwei Folgen, welche eine komplementäre Folge bilden, werden abwechselnd und wiederholt verwendet, und dies wird unter Bezugnahme auf die Fig. 13(a), 13(b) und 14 erläutert.
Die Fig. 13(a), 13(b) und 14 illustrieren Wellenformen, welche Computersimulationsergebnisse eines ersten und zweiten komprimierten Impulses und eines zusammengesetzten Impulses zeigen, die in der Bezugnahme C offenbart sind.
Zwei Folgen, die eine komplementäre Folge bilden, werden nachfolgend als erste und zweite Folge bezeichnet. Auch werden zwei Sendesignale, die in einer derjenigen im Fall nach Fig. 8 ähnlichen Weise erzeugt wurden, als erstes bzw. zweites Sendesignal bezeichnet. Zwei Echos, welche erhalten werden, wenn die Ultraschallsonde von dem ersten und dem zweiten Sendesignal angetrieben wird, werden als erstes bzw. zweiten Echo bezeichnet. Weiterhin werden zwei komprimierte Impulse, welche durch einen Korrelationsprozess ähnlich der Fig. 9 mit der Verwendung des er sten und des zweiten Sendesignals erhalten werden, als erster bzw. zweiter komprimierter Impuls bezeichnet.
Das erste und zweite Sendesignal werden abwechselnd mit einer bestimmten Zyklusperiode wiederholt. In der Periode wird, wenn die Ultraschallsonde 1 durch das erste Sendesignal betrieben wird, das erste Echo erhalten, und dieses erste Echo wird einem Korrelationsprozess innerhalb derselben Periode unterworfen wobei das erste Sendesignal so verwendet wird, daß der erste komprimierte Impuls erhalten wird. In gleicher Weise wird das zweite Echo in der Periode, in der die Ultraschallsonde 1 durch das zweite Sendesignal betrieben wird, erhalten, und dieses zweite Echo wird einem Korrelationsprozess innerhalb derselben Periode unterzogen, wobei das zweite Sendesignal so verwendet wird, daß der zweite komprimierte Impuls erhalten wird. Weiterhin wird, indem eine Integrationszeit des analogen Korrelators 10 länger gemacht wird als die zweifache Wiederholungsperiode der Sendesignale, eine Operation zum Summieren des ersten und des zweiten komprimierten Impulses durchgeführt.
Das Ergebnis der Summierung des ersten und des zweiten komprimierten Impulses wird als zusammengesetzter komprimierter Impuls bezeichnet, welcher auf der Anzeigevorrichtung 11 angezeigt wird.
Wie in den Fig. 13(a) und 13(b) gezeigt ist, sind die Pegel von Bereichs-Nebenkeulen sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten komprimierten Impuls hoch. Jedoch tritt, wie in Fig. 14 gezeigt ist, in dem zusammengesetzten komprimierten Impuls nur eine Hauptkeule in der Mitte auf und es gibt keine Bereichs-Nebenkeule.
Wie vorstehend erläutert ist, besitzt die herkömmliche zerstörungsfreie Ultraschall-Untersuchungsvorrichtung ein überlegenes Merkmal dahingehend, daß keine Bereichs-Nebenkeule auftritt.
In "Microcomputer-based digital pulse compression system for ultrasonic NDT", F.K. LAM. Ultrasonics 1987, Band 25, Mai, Seiten 166-171 wird ein Impulskomprimierungssystem auf der Grundlage eines Mikrocomputers beschrieben, welche eine Zweiphasenmodulation der Sender-Wellenformen mit m-Folgen und Golay-Codes verwendet. Der Mikrocomputer führt eine Codeerzeugung sowie die erforderliche Impulskomprimierung durch eine Korrelationsverarbeitung durch.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zerstörungsfreie Erfassungsvortichtung vorzusehen, welche Wellen wie Ultraschallwellen, elektrische Wellen oder Mikrowellen verwendet und welche Nachhallechos verringern und den Rauschabstand verbessern kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Abwandlungen werden durch die Unteransprüche gegeben.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin erläutert unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen folgend einer nachstehenden kurzen zusammengefaßten Erläuterung der Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfvorrichtung in einem Blockschaltbild;
Fig. 2(a) - (c) erläutern die Arbeitsweise der herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung;
Fig. 3(a) und (b) sind Diagramme, welche ein Operationsprinzip einer Barker-Serie zeigen;
Fig. 4(a), (b) und (c) sind Diagramme, welche eine komplementäre Folge zur Erläuterung eines herkömmlichen Beispiels zeigen;
Fig. 5 zeigt eine herkömmliche Ultraschall- Prüfvorrichtung mit einer Funktion der Korrelationsoperation;
Fig. 6 sind Zeichnungen zum Erläutern der Operation nach Fig. 5;
Fig. 7 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Problems des Standes der Technik;
Fig. 8 zeigt eine Wellenform eines Sendesignals in einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung;
Fig. 9 zeigt eine Wellenform eines komprimierten Impulses bei einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung;
Fig. 10 ist eine Wellenform einer Autokorrelationsfunktion einer Folge mit endlicher Länge bei einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung;
Fig. 11(a) und (b) sind Wellenformen einer Autokorrelationsfunktion einer komplementären Folge bei einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung;
Fig. 12 zeigt das Summierungsergebnis von Autokorrelationsfunktionen einer komplementären Folge bei einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung;
Fig. 13(a) und (b) zeigen einen komprimierten Impuls in einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung;
Fig. 14 zeigt einen zusammengesetzten komprimierten Impuls bei einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfvorrichtung;
Fig. 15 zeigt eine erläuternde Konstruktion einer Prüfvorrichtung in einem Blockschaltbild;
Fig. 16(a) und (b) zeigen eine Wellenform eines Sendesignals in Fig. 15;
Fig. 17(a) und (b) zeigen ein Ergebnis einer Korrelationsoperation in der Konstruktion nach Fig. 15;
Fig. 18 zeigt ein Summierungsergebnis von Korrelationsoperationen in der Konstruktion nach Fig. 15;
Fig. 19 zeigt Frequenzcharakteristiken eines Sendesignals und einer Ultraschallsonde in der Konstruktion nach Fig. 15;
Fig. 20(a) und (b) zeigen eine Wellenform eines anderen Sendesignals;
Fig. 21(a) und (b) zeigen eine Wellenform eines anderen Reflexionsechos;
Fig. 22(a) und (b) zeigen eine Wellenform von anderen Korrelationsoperationsergebnissen in der Konstruktion nach Fig. 15;
Fig. 23 zeigt ein Summierungsergebnis einer anderen Korrelationsoperation in der Konstruktion nach Fig. 15;
Fig. 24(a) und (b) zeigen eine Wellenform, die eine Operation einer herkömmlichen Ultraschall-Prüfvorrichtung anzeigt;
Fig. 25 zeigt eine weitere erläuternde Konstruktion einer Prüfvorrichtung in einem Blockschaltbild;
Fig. 26(a) und (b) zeigen ein Ergebnis einer Korrelationsoperation in der Vorrichtung nach Fig. 25;
Fig. 27 zeigt eine Wellenform eines Summierungsergebnisses von Korrelationsoperationen in der Vorrichtung nach Fig. 25;
Fig. 28 ist ein Blockschaltbild, welches ein Beispiel eines Korrelators zeigt;
Fig. 29 ist ein Blockschaltbild, welches ein anderes Beispiel eines Korrelators zeigt;
Fig. 30 zeigt eine andere erläuternde Konstruktion einer Prüfvorrichtung;
Fig. 31 zeigt eine Konstruktion eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 32 bis 34 sind Zeichnungen zum Erläutern der Arbeitsweise und der vorteilhaften Wirkung von Fig. 31;
Fig. 35 zeigt eine modifizierte Form gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 36(a) und (b) zeigen eine andere vorteilhafte Wirkung von Fig. 31;
Fig. 37 sind Zeichnungen zum Erläutern von Fig. 38;
Fig. 38 zeigt eine andere erläuternde Konstruktion einer Prüfvorrichtung;
Fig. 39 bis 43 sind Zeichnungen zum Erläutern von Barker-Serien, die beim Stand der Technik verwendet werden;
Fig. 44 ist ein Blockschaltbild, das ein anderes Ausführungsbeispiel einer Prüfvorrichtung zeigt;
Fig. 45(a), (b), (c) und (d) zeigen eine Wellenform eines Sendesignals bei der Konstruktion nach Fig. 44;
Fig. 46 zeigt vier Sendesignale bei der Konstruktion nach Fig. 44;
Fig. 47 zeigt vier Echos bei der Konstruktion nach Fig. 44;
Fig. 48(a), (b), (c) und (d) zeigen Operationsergebnisse von Autokorrelationsfunktionen der ersten, zweiten, dritten und vierten Folge;
Fig. 49 zeigt ein Summierungsergebnis von vier Autokorrelationsfunktionen;
Fig. 50 zeigt eine Wellenform einer Impulsantwort einer Ultraschallsonde bei der Konstruktion nach Fig. 44;
Fig. 51 (a), (b), (c) und (d) zeigen eine Wellenform des Operationsergebnisses des ersten, zweiten, dritten und vierten komprimierten Impulses bei der Konstruktion nach Fig. 44;
Fig. 52 zeigt eine Wellenform des Operationsergebnisses eines zusammengesetzten komprimierten Impulses bei der Konstruktion nach Fig. 44;
Fig. 53 ist eine Zeichnung, welche die Beziehung zwischen einem Taktimpuls und einem Rauschabstand zeigt;
Fig. 54 zeigt eine Wellenform eines Nachhallechos bei der Konstruktion nach Fig. 44;
Fig. 55 zeigt eine Wellenform eines Nachhallechos bei einer herkömmlichen Vorrichtung;
Fig. 56(a) und (b) zeigen Zeichnungen zum Erläutern einer mehrfachen komplementären Folge, welche vier und sechs Folgen aufweist;
Fig. 57 zeigt eine andere Konstruktion einer Prüfvorrichtung;
Fig. 58(a), (b), (c) und (d) zeigen eine Wellenform eines Sendesignals bei der Konstruktion nach Fig. 57;
Fig. 59 bis 61 zeigen andere Konstruktionen einer Prüfvorrichtung zum Zwecke der Erläuterung.
Es ist festzustellen, daß die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele mit Bezug auf Ultraschallwellen nur der Zweckmäßigkeit dienen und sie nicht auf die Verwendung von Ultraschallwellen begrenzt sind, sondern auch auf die Verwendung anderer Sendewellen wie Mikrowellen oder elektrischer Wellen anwendbar sind.
Im Folgenden werden weiterhin Erläuterungen hinsichtlich der Konstruktionen der Erfassungsvorrichtung und der Korrelationsoperationen, die zur Realisierung der Erfindung verwendet werden, gegeben.
Eine Konstruktion eines ersten erläuternden Beispiels wird mit Bezug auf Fig. 15 erläutert.
Fig. 15 ist ein Blockschaltbild, welches eine Ultraschallsonde 102 und eine Anzeigevorrichtung 104 zeigt, welche dieselben sind wie diejenigen beim Stand der Technik.
In Fig. 15 werden dieselben Komponenten wie diejenigen beim Stand der Technik sowie andere, nämlich ein Sendesignalgenerator 101B, ein Korrelator 105A, der mit dem Sendesignalgenerator 101E und der Ultraschallsonde 102 gekoppelt ist, und ein Addierer 106 mit einer Speicherfunktion, der mit dem Korrelator 105A verbunden ist, verwendet.
Die Ultraschallsonde 102 ist mit dem Sendesignalgenerator 101B verbunden und die Anzeigevorrichtung 104 ist mit dem Addierer 106 verbunden.
Als Nächstes wird die Operation einer derartigen Konstruktion unter Bezugnahme auf die Fig. 16, 17, 18 und 19 erläutert, wobei zwei Folgen verwendet werden. Der Sendesignalgenerator 101B erzeugt Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) und überträgt sie zu der Ultraschallsonde 102.
Wie in den Fig. 16(a) und (b) gezeigt ist, verwendet das Sendesignal Sa*(t) (+, +, +, -) als eine erste Folge A und das Sendesignal Sb*(t) verwendet (+, +, +) als eine zweite Folge B, wobei die erste und die zweite Folge A und B eine komplementäre Folge bilden. Für das positive Vorzeichen "+" wird sin 2πf&sub0;t (0 ≤ t ≤ T) zugewiesen und für das negative Vorzeichen "-" wird -Sin 2πf&sub0;t (0 ≤ t ≤ T) zugewiesen, und die obigen sinusförmigen Wellenabschnitte werden auf der Zeitachse in der auftretenden Reihenfolge der Vorzeichen angeordnet, worin t eine Zeitvariable, T eine feste Zeit und f&sub0; eine feste Frequenz sind.
Die Ultraschallsonde 102 wird durch das obige Sendesignal Sa* betrieben, strahlt Ultraschallwellen zu einem Prüfling S ab, empfängt ein Reflexionsecho Ga*(t), das an einem reflektierenden Bereich innerhalb des Prüflings reflektiert wurde, und überträgt es zu dem Korrelator 105A.
Dasselbe Signal wie das obige Sendesignal wird auch zu dem Korrelator 105A übertragen.
Der Korrelator 105A führt eine Korrelationsoperation zwischen dem Reflexionsecho Ga*(t) und dem Sendesignal Sa*(t) durch. Das Ergebnis ρa* der Korrelationsoperation wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
ρa*(t) = Ga*(t')Sa*(t' - t)dt'
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (101)
In gleicher Weise wird in der nächsten Zeitphase die Ultraschallsonde 102 durch das obige Sendesignal Sb*(t) betrieben und der Korrelator 105A führt eine Korrelationsoperation zwischen dem Reflexionsecho Gb*(t) und dem Sendesignal Sb*(t) durch, und ihr Ergebnis ρb*(t) wird ausgedrückt durch
ρb*(t) = Gb*(t')Sb*(t' - t)dt'
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (102)
Der Addierer 106 summiert die Ergebnisse der Korrelationsoperationen der Gleichungen (101) und (102) und überträgt das Ergebnis zu der Anzeigevorrichtung 104, welche anzeigt
ρa*(t) + ρb*(t).
Der Addierer 106 speichert ρa*(t), bis ρb*(t) übertragen wird.
Ein Operationsprinzip wird nachfolgend erläutert.
Wenn die erste Folge A und die zweite Folge B in einer komplementären Beziehung sind, sind die Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) ebenfalls in einer komplementären Beziehung, wodurch Bereichs-Nebenkeulenpegel theoretisch zu Null werden.
Autokorrelationsfunktionen der Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) werden in der folgenden Beschreibung durch ρa*(τ) und ρb*(τ) ausgedrückt. Diese sind wie folgt definiert:
ρa*(τ) = Sa*(t) Sa*(t - τ)dt
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (103)
ρb*(t) = Sb*(t)Sb*(t - τ)dt
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (104)
Wie in den Fig. 17(a) und (b) gezeigt ist, ergibt ein Vergleich zwischen den Autokorrelationsfunktion ρa*(τ) und ρb*(τ), daß ihre Amplituden dieselben sind in Bezug auf ihre primären Keulen sowie ihre Bereichs-Nebenkeulen, während ihre Phasen dieselben sind in Bezug auf ihre primären Keulen, aber entgegengesetzt sind in Bezug auf ihre Bereichs-Nebenkeulen. Demgemäß wird der Nebenkeulenpegel Null, wie in Fig. 18 gezeigt ist, wenn die Autokorrelationsfunktionen ρa*(τ) und ρb*(t) summiert werden. Mit anderen Worten, wenn die erste Folge A und die zweite Folge Bin einer komplementären Beziehung sind, sind die Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) in derselben Beziehung.
In den Fig. 16(a) und (b) ist ein Fall gezeigt, in welchem ein Intervall T', welches ein Anordnungsintervall von sin 2πf&sub0;t und -sin 2πf&sub0;t ist, größer ist als ein Intervall T. Jedoch ist die vorstehend erläuterte Beziehung ebenfalls anwendbar auf einen Fall, in welchem ein Anordnungsintervall T' gleich T ist. Es ist dort auch ein Fall gezeigt, in welchem eine Zykluszahl von sin 2πf&sub0;t und -sin 2πf&sub0;t gleich 3 (= f&sub0;T) ist, aber die vorstehend erläuterte Beziehung gilt ungeachtet einer Zykluszahl.
Es wird nun ein Fall betrachtet, in welchem Ultraschallwellen bei einer zerstörungsfreien Prüfung verwendet werden.
Es wird eine Hin- und Herlaufzeit einer Ultraschallwelle zwischen der Ultraschallsonde 102 und einem reflektierenden Bereich innerhalb des Prüflings S durch to ausgedrückt. Wenn die Sonde 102 durch das Signal Sa*(t) betrieben wird, wird das Reflexionsecho angenähert ausgedrückt als Sa*(t - t&sub0;). Wenn eine Korrelationsoperation zwischen dem Reflexionsecho Sa*(t - t&sub0;) und dem Sendesignal Sa*(t) durchgeführt wird, wird die rechte Seite der folgenden Gleichung erhalten.
Sa*(t - t&sub0;) Sa*(t - τ)dt = ρa*(τ - t&sub0;)
[Integrationsbereich: -∞ -∞] ... (105)
In gleicher Weise wird das Reflexionsecho angenähert ausgedrückt als Sb*(t - t&sub0;), wenn in der nächsten Zeitphase die Ultraschallsonde 102 durch das Sendesignal Sb*(t) betrieben wird. Wenn eine Korrelationsoperation zwischen dem Reflexionsecho Sb*(t - t&sub0;) und dem Sendesignal Sb*(t) durchgeführt wird, wird die rechte Seite der folgenden Gleichung erhalten.
Sb*(t - t&sub0;) Sb*(t - τ) dt = ρb*(t - t&sub0;)
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (106)
Wenn die Ergebnisse der obigen Korrelationsoperatio nen summiert werden, wird das folgende Ergebnis erhalten.
ρa*(τ - t&sub0;) + ρb*(τ - t&sub0;).
Dieses Ergebnis ist dasselbe wie in dem Fall, in welchem die in Fig. 18 gezeigte Wellenform um t&sub0; entlang der Zeitachse verschoben ist. D. h. sie hat eine primäre Keule bei τ = t&sub0; und Nullbereichs-Nebenkeulenpegel. Daher kann eine Position des Reflexionskörpers bestimmt werden durch Erfassen der Zeit, zu der die primäre Keule auftritt.
Wenn die Frequenz f&sub0; der Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) nahe der Mittenfrequenz der Ultraschallsonde 102 gesetzt wird, werden die Frequenzcharakteristiken der Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) und die Frequenzantwortcharakteristiken der Ultraschallsonde 102 wie in Fig. 19 gezeigt. Die Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) haben im Wesentlichen keine Energie in dem Niedrigfrequenzbereich, und so geht der größte Teil der Energie durch die Ultraschallsonde 102 hindurch. Daher wird die Wirksamkeit der Ausnutzung der Energie höher.
Als Nächstes wird, um die Verbesserungen mit Bezug auf die Bereichs-Nebenkeulen und die Rauschabstände zu bewerten, die Operation unter den folgenden Bedingungen mit Bezug auf die Fig. 20, 21, 22 und 23 erläutert.
Eine Ultraschallsonde, eine sogenannte Breitbandsonde mit einer Mittenfrequenz 5 MHz und einer relativen Bandbreite von 60% oder mehr wurde als die Ultraschallsonde 102 verwendet, und Stahl wurde als der Prüfling S verwendet.
Als eine komplementäre Folge wurden die folgenden Folgen verwendet, wobei jede eine Länge von 8 hatte.
A = (+, +, +, -, +, +, -, +)
B = (+, -, +, +, +, -, -, -)
Als die Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) entsprechend diesen komplementären Folgen A und B wurden die in den Fig. 20(a) und (b) gezeigten Signale verwendet, bei denen
f&sub0; = 5 MHZ,
f&sub0;T = 1,5.
Ein Intervall T' zwischen den Wellenformeinheiten (den sinusförmigen Wellenabschnitten) wurde so eingestellt, daß es gleich T ist.
Zuerst wurde die Ultraschallsonde 102 durch das Sendesignal Sa**(t) betrieben, und das Reflexionsecho Ga**(t), das in Fig. 21(a) gezeigt ist, wurde gemessen.
In gleicher Weise wurde das in Fig. 21(b) gezeigte Reflexionsecho Gb**(t) gemessen durch Verwendung des Sendesignals Sb** (t).
Der Grund, weshalb die Wellenformen der Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t) unterschiedlich gegenüber denen der Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) sind, beruht auf einer Filterfunktion der Ultraschallsonde 102 mit einer endlichen Bandbreite. Diese Filterfunktion hat eine doppelte Wirkung, da die Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) zweimal durch die Ultraschallsonde 102 hindurchgehen, d. h. zu der Zeit des Sendens und zu der Zeit des Empfangens.
Indem die Korrelationsoperation zwischen dem Sendesignal Sa**(t) und dem Reflexionsecho Ga**(t) durchgeführt wurde, wurde das in Fig. 22(a) gezeigte Ergebnis erhalten. In gleicher Weise wurde mittels der Durchführung der Korrelationsoperation zwischen dem Sendesignal Sb**(t) und dem Reflexionsecho Gb**(t) das in Fig. 22(b) gezeigte Ergebnis erhalten.
Dann wurde durch Summieren der obigen zwei Operationsergebnisse das in Fig. 23 gezeigte Ergebnis erhalten. Die Pegel von Bereichs-Nebenkeulen sind unterhalb -32 dB, was relativ niedrig ist, und das Ergebnis zeigt auch, daß der Rauschabstand größer als 32 dB ist.
Weiterhin wird aus Gründen eines Vergleichs die Operation der herkömmlichen Vorrichtung eines Impulstyps, die in Fig. 1 gezeigt ist, unter Bezugnahme auf die Fig. 24(a) und (b) erläutert.
Durch das in Fig. 24(a) gezeigte Signal wurde die Ultraschallsonde 102 betrieben. Dieses Signal ist das selbe in Bezug auf seine Wellenform und seine Spitzenamplitude wie diejenigen der Bereichseinheit der Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t).
Das in Fig. 24(b) gezeigte Reflexionsecho wurde gemessen. Über dieses Echo waren Störungen stark überlagert, und ein Rauschabstand betrug nur etwa 25 dB. Daher ist festzustellen, daß anhand des Vergleichs der in den Fig. 23 und 24(b) gezeigten Ergebnisse das Beispiel nach Fig. 24(b) eine vorteilhafte Wirkung dahingehend erzielt, daß der Rauschabstand um etwa 7 dB verbessert ist, und daß es auch eine vorteilhafte Wirkung dahingehend erzielt, daß die Wirksamkeit der Ausnutzung der Sendeenergie größer ist, wie in Fig. 19 gezeigt ist.
Ein Konstruktion eines weiteren erläuternden Beispiels wird anhand von Fig. 25 beschrieben, in welcher ein Sendesignalgenerator 1018, eine Ultraschallsonde 102, ein Korrelator 105A, ein Addierer 106 und eine Anzeigevorrichtung 104 dieselben wie diejenigen in Fig. 15 sind.
Als unterschiedliche Komponente ist ein Bezugssignalgenerator 107 vorgesehen, dessen Eingangsseite und dessen Ausgangsseite mit dem Sendesignalgenerator 1018 bzw. dem Korrelator 105A verbunden sind, und die Operation wird unter Bezugnahme auf die Fig. 26 und 27 erläutert.
Zuerst erzeugt der Sendesignalgenerator 101B Sendesi gnale Sa**(t) und Sb**(t), um die Ultraschallsonde 102 zu betreiben.
Die Ultraschallsonde 102 wird durch die Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) betrieben, sendet Ultraschallwellen zu dem Prüfling S, empfängt ihre Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t) und überträgt sie zu dem Korrelator 105A.
Andererseits erzeugt der Bezugssignalgenerator 107 Bezugssignale ha(t) und hb(t) auf der Grundlage der Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) und überträgt sie zu dem Korrelator 105A.
Diese Bezugssignale ha(t) und hb(t) sind Signale, die erhalten wurden durch den zweifachen Durchgang der Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) durch die Ultraschallsonde 102 mit einer Filterfunktion zur Zeit sowohl des Sendens als auch des Empfangens.
Wenn die Filtercharakteristiken (Impulsantwortcharakteristiken) der Ultraschallsonde 102, die zur Zeit des Sendens und des Empfangens gezeigt werden, durch U&sub1;(t) und U&sub2;(t) ausgedrückt werden, werden die Bezugssignale durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt.
ha(t) = Sa**(t')U&sub1;(t"-t')U&sub2;(t"-t)dt' dt"
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (107)
hb(t) = Sb**(t')U&sub1;(t" - t')U&sub2;(t" - t)dt'dt"
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (108)
Die tatsächlich verwendeten Bezugssignale ha(t) und Hb(t) sind solche, die vorher durch Messen des Reflexionsechos von der Bodenfläche des Prüflings erhalten wurden, wenn die Ultraschallsonde 102 durch die Sendesignale Sa**(t) bzw. Sb**(t) betrieben wurde. Der Grund, weshalb solche Bezugssignale gewählt werden, liegt darin, daß das Reflexionsecho von der Bodenfläche des Prüflings S äquivalent dem Signal ist, das erhalten wurde durch den Durchgang der Sendesignals Sa**(t) und Sb**(t) durch die Ultraschallsonde 102 mit der zweifachen Filterfunktion, und daß das Reflexionsecho von der Bodenfläche mit einem hohen Rauschabstand gemessen werden kann.
Der Korrelator 105A führt Korrelationsoperationen zwischen den Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t) und den Bezugssignalen ha(t) und hb(t) durch, wobei eine Variable τ geändert wird. Die Gleichungen bezüglich der obigen Korrelationsoperationen werden wie folgt gegeben:
Ga**(t)ha(t - τ)dt
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (109)
Gb**(t)hb(t - τ)dt
[Integrationsbereich: -∞ ~∞] ... (110)
Die tatsächlichen Integrationsbereiche in den Glei chungen (109) und (110) wurden auf endliche Bereiche begrenzt. D. h. Bereiche, in denen die Bezugssignale ohne wesentliche Beeinträchtigungen als im Wesentlichen Null betrachtet werden können, wurden weggeschnitten. Mit anderen Worten, wenn Symbole Ta und Tb der Zeitbreite zugeordnet werden, in welcher die Bezugssignale ha(t) und hb(t) nicht als Null angesehen werden können, wurden die folgenden Integrationsbereiche in den obigen Gleichungen (109) bzw. (110) angewendet.
-Ta/2+τ ~Ta/2+τ,
-Tb/2+τ ~Ta/2+τ.
Die Fig. 26(a) und (b) zeigen die Ergebnisse der Korrelationsoperationen gemäß den Gleichungen (109) und (110) unter Verwendung der obigen Integrationsbereiche.
Schließlich summiert der Addierer 106 die Ergebnisse der Korrelationsoperationen entsprechend den Gleichungen (109) und (110).
D. h. das Ergebnis der Korrelationsoperation entsprechend der Gleichung (109) wird in einem internen Speicher des Addierers 106 gespeichert, und in der nächsten Zeitphase werden das Ergebnis der Korrelationsoperation entsprechend der Gleichung (110) und das gespeicherte Ergebnis der Gleichung (109) summiert.
Fig. 27 zeigt das Ergebnis der Summierungsoperation. Beim Vergleich dieses Ergebnisses mit dem in Fig. 23 gezeigten Ergebnis der Korrelationsoperationen und der Summierungsoperation, bei denen die Pegel der Bereichs-Nebenkeulen unter -32 dB sind, ist festzustellen, daß die Pegel der Bereichs-Nebenkeulen in Fig. 27 unter -48 dB sind und die Pegel der Bereichs- Nebenkeulen um angenähert 16 dB verbessert sind.
Bei den obigen Konstruktionen wurde alle Signale digitalisiert und die Korrelationsoperationen und Summieroperationen wurden unter Verwendung eines Computers durchgeführt.
Als ein Mittel zum Durchführen einer Korrelationsoperation können mehrere Arten von Mitteln in Betracht gezogen werden. Zwei praktische Mittel zum Durchführen einer Korrelationsoperation werden unter Bezugnahme auf die Fig. 28 und 29 erläutert.
In Fig. 28 weist ein Korrelator 105B eine angezapfte Verzögerungsleitung 150, die mit der Ultraschallsonde 102 verbunden ist, eine Mehrzahl (Ka) von Multiplizierern 151, die mit der angezapften Verzögerungsleitung 150 verbunden sind, und einen Addierer 152, der mit den Multiplizierern 151 verbunden ist, auf.
Dieser Korrelator 105B führt eine Korrelationsoperation durch unter Ausnutzung des Merkmals der Gleichung (109), welches wie folgt modifiziert werden kann:
D. h. die Gleichung (109) kann wie nachfolgend dargelegt modifiziert werden.
Ga**(t)ha(t - t)dt [Integrationsbereich: -¥ ~¥]
= Ga**(t+τ)ha(t)dt [Integrationsbereich: -∞ ~∞]
= Ga**(t+τ)ha(t)dt [Integrationsbereich: 0 ~Ta]
= ΣGa**(kΔt + lΔt)ha(kΔt) [k = 1 ~Ka] ... (111)
worin k, l: ganze Zahl
Δt: Abtastintervall
Ka: Konstante
t = kΔt,
τ = lΔt, und
Ta = KaΔt.
In dem Korrelator 105B ist Δt eine Verzögerungszeit zwischen den Anzapfungen der angezapften Verzögerungsleitung 150, und Ka ist eine gesamte Anzahl von Anzapfungen. Wenn das Reflexionsecho Ga**(t) in die angezapfte Verzögerungsleitung 150 eingegeben wird, wird ein Ausgangssignal einer Anzapfung, beispielsweise der k-ten Anzapfung, mit einem vorbekannten Gewicht Ha(kΔt) durch den Multiplizierer 151 multipliziert. Danach summiert der Addierer 152 die Ausgangssignale aller Anzapfungen, und das Ergebnis hiervon ist gleich der obigen Gleichung (111).
Die Gleichung (110) kann auch wie folgt modifiziert werden:
Gb**(t)hb(t - τ)dt [Integrationsbereich: -∞ ~∞]
= ΣGb**(kΔt+ lΔt)hb(kΔt) [k = 1 ~Kb] ... (112)
worin Tb = KbΔt.
Die jeweiligen Korrelationsoperationen der Gleichungen (111) und (112) können in verschiedenen Zeitphasen durchgeführt werden. In diesem Fall ist es möglich, denselben und einzigen Korrelator 105B zu verwenden und einfach die Gewichte ha(kΔt) in derselben Konstruktion durch die Gewichte h(kΔt) zu ersetzen.
Dasselbe Ergebnis und dieselbe Wirkung können auch erwartet werden bei der Verwendung von zwei Systemen, die eine andere angezapfte Verzögerungsleitung, andere Multiplizierer und einen anderen Addierer zusätzlich zu der angezapften Verzögerungsleitung 150, den Multiplizierern 151 und dem Addierer 152 aufweisen zur unabhängigen Durchführung der beiden Korrelationsoperationen.
In Fig. 29 ist ein anderer Korrelator 105C gezeigt, und dieser umfaßt einen Fourier-Umwandler 153, welcher mit dem Bezugssignalgenerator 107 verbunden ist, eine Korrekturglied 154, welches mit dem Fourier- Umwandler 153 verbunden ist, einen Fourier-Umwandler 155, der mit der Ultraschallsonde 102 verbunden ist, ein Korrekturglied 156, das mit dem Fourier-Umwandler 155 verbunden ist, einen Multiplizierer 157, der mit den Korrekturglieder 154 und 156 verbunden ist, und einen inversen Fourier-Umwandler 158, der mit dem Multiplizierer 157 verbunden ist.
Dieser Korrelator 105C nutzt den Umstand aus, daß die Ergebnisse der Korrelationsoperationen, die durch die Gleichungen (109) und (110) ausgedrückt sind, äquivalent sind den Ergebnissen, die durch Fourier- Transformierung der jeweiligen Signale mit folgender Multiplikation und weiterhin inverser Fourier- Transformation erhalten wurden.
D. h. der Fourier-Umwandler 153 transformiert die Bezugssignale ha(t) und hb(t) von dem Bezugssignalgenerator 107 und der Fourier-Umwandler 155 transformiert die Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t). Die Korrekturglieder 154 und 156 können Frequenzantwortcharakteristiken des Prüflings S korrigieren, wie die Frequenzcharakteristiken der Ultraschalldämpfung, und können auch die Frequenzantwortcharakteristiken der Ultraschallsonde 102 korrigieren.
Der Multiplizierer 157 führt eine Multiplikation zwischen dem korrigierten Reflexionsecho Ga**(t) und dem korrigierten Bezugssignal ha(t) durch und eine gleichartige Multiplikation zwischen dem korrigierten Reflexionsecho Gb**(t) und dem korrigierten Bezugssignal hb(t).
Der inverse Fourier-Umwandler 158 führt eine inverse Fourier-Transformation an dem Ergebnis der obigen Multiplikation durch.
Dieser Korrelator 105C kann aus dem nachfolgend erläuterten Grund die Pegel von Bereichs-Nebenkeulen auf Null reduzieren, d. h. in einen idealen Zustand. D. h. die Korrekturglieder 154 und 156 können auch die Frequenzantwortcharakteristiken, d. h. die Filtercharakteristiken der Ultraschallsonde 102 korrigieren. Beispielsweise sind die Bezugssignale ha(t) und hb(t), wie in den Gleichungen (107) und (108) gezeigt ist, abhängig von den Impulsantworten U&sub1;(t) und U&sub2;(t) der Ultraschallsonde 102. Daher kommen, wenn die Impulsantworten U&sub1;(t) und U&sub2;(t) so korrigiert werden, daß sie sich so nahe wie möglich der δ-Funktion in der Zeitdomäne annähern, die Bezugssignale ha(t) und hb(t) nahe an die Sendesignale Sa**(t) bzw. Sb**(t). Andererseits werden Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t) ebenfalls korrigiert bezüglich des Prüflings S und der Ultraschallsonde 102. Demgemäß ist es möglich, den Pegel von Bereichs-Nebenkeulen einem idealen Zustand anzunähern, d. h. Null, wie in Fig. 18 gezeigt ist.
Während in dem vorstehend erläuterten Korrelator 105C die Bezugssignale ha(t) und hb(t) durch den Fourier- Umwandler 153 einer Fourier-Transformation unterzogen wurden, können die gleichartige Wirkung und der gleiche Vorteil auch erwartet werden, wenn die berechneten Ergebnisse der Fourier-Transformationen der Bezugssignale ha(t) und hb(t) zu einer geeigneten Zeit zum Multiplizierer 157 übertragen werden. In diesem Fall werden die berechneten Ergebnisse vorher durch eine Fourier-Transformation erhalten und geeigneten Speichern gespeichert.
In dem vorstehend erläuterten Korrelator 105C werden zwei Korrekturglieder 154 und 156 verwendet; jedoch kann ein einziges Korrekturglied mit einer hinteren Stufe des Multiplizierers 157 verbunden sein, um dieselbe vorausgesehene Wirkung zu erzielen.
In der obigen Erläuterung betreffend die Korrelatoren 105B und 105C werden die Korrelationsoperationen zwischen den Reflexionsechos und den Bezugssignalen erklärt; jedoch können sie verwendet werden, um Korrelationsoperationen zwischen den Reflexionsechos und den Sendesignalen durchzuführen. In dem letztgenannten Fall können Bereiche entsprechend den Bezugssignalen durch die Sendesignale ersetzt werden. Die Korrelatoren 105B und 105C können entweder durch Software oder durch Hardware ausgebildet werden. Es wurde bestätigt, daß die jeweiligen vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele auch dieselben mehreren erläuterten Wirkungen und Vorteile unter den folgenden Bedingungen erzielten können.
Der Test wurde durchgeführt mit einer Zykluszahl f&sub0;T, die in dem Bereich von 0,5 ~ 3,0 geändert wurde mit jeweils einer Erhöhung von 0,5, und weiterhin mit einem Intervall T' zwischen sinusförmigen Wellenabschnitten für jede Zykluszahl f&sub0;T, das geändert wurde in einem Bereich von f&sub0;t~f&sub0;T+2,0 bei jeder Erhöhung von 0,5.
Der Test wurde auch durchgeführt bei Verwendung von Metallen, welche eine hohe Dämpfung zeigten wie ein austenitischer rostfreier Stahl und eine Titanlegierung, usw. als ein Prüfling S.
Weiterhin wurden bei dem zweiten Ausführungsbeispiel tatsächlich gemessene Daten der Reflexionsechos von der Bodenfläche des Prüflings S als die Bezugssignale ha(t) und hb(t) verwendet; jedoch kann eine ähnliche Wirkung erwartet werden bei Verwendung von Daten, die durch die folgende Berechnung erhalten wurden. D. h. wenn Materialkonstanten des Prüflings S und von die Ultraschallsonde 102 bildenden Komponenten bekannt sind, können die Impulsantwortcharakteristiken der Ultraschallsonde 102 und die Frequenzantwortcharakteristiken, die durch Fourier-Transformation hiervon abgeleitet wurden, durch Berechnungen erhalten werden, wie beispielsweise auf den Seiten 762 bis 767 von "Non-Destructive Test", Band 30, Nr. 10, 1981, festgestellt ist, und auch die Frequenzantwortcharakteristiken des Prüflings S können berechnet werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 30 erläutert.
In Fig. 30 umfaßt eine weitere Konstruktion dieselben Elemente wie diejenigen in Fig. 25 (mit Ausnahme der Sonde), sowie andere, nämlich eine sendende Ultraschallsonde 102A, die mit dem Sendesignalgenerator 101B verbunden ist und eine empfangende Ultraschallsonde 1028, die mit dem Korrelator 105A verbunden ist. Die Impulsantworten der Ultraschallsonden 102A und 102B werden als U&sub1;(t) bzw. U&sub2;(t) in den Gleichungen (107) und (108) verwendet.
Es ist natürlich möglich, die sendende Ultraschallsonde 102A und die empfangende Ultraschallsonde 102B bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung anzuwenden.
In Fig. 31 ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Blockschaltbild gezeigt, das schematisch seine Konstruktion illustriert. Eine Ultraschallsonde 201, ein Sender 202 und eine Anzeigevorrichtung 211 sind dieselben wie diejenigen beim erläuterten Stand der Technik. TG bezeichnet einen Synchronsignalgenerator zum Steuern der Sendezeiten, 203 einen Codegenerator, der mit dem Synchronsignalgenerator TG verbunden ist und in der Lage ist, eine endliche binäre Folge zu erzeugen, 204 einen Generator für kodierte Wellenformen, welchem die binäre Folge mit positiven und negativen Werten von dem Codegenerator 203 eingegeben wird zum Erzeugen von Wellenformen mit einer Frequenzkomponente f&sub0;, deren Phasen um 180º entsprechend dem positiven Wert oder dem negativen Wert der binären Folge geändert werden, 206 einen Verstärker zum Verstärken von Fehlstellensignalen, die von der Ultraschallsonde 201 empfangen wurden, 207 einen Wellenformspeicher zum Normalisieren und Speichern der Sendesignale, die vom Generator 204 für kodierte Wellenformen erzeugt wurden, und zu deren Ausgabe, wenn dies erforderlich ist, und 208 einen Korrelator zur Durchführung einer Korrelationsoperation zwischen dem von dem Verstärker 206 ausgegebenen Fehlstellensignal und der in dem Bezugssignalspeicher 207 gespeicherten Bezugswellenform.
Fig. 32 enthält Zeichnungen zum Erläutern der Arbeitsweise des in Fig. 31 gezeigten vierten Ausführungsbeispiels. Fig. 32(a) zeigt ein vom Synchronsignalgenerator TG erzeugtes Synchronsignal, 34(b) eine Folge mit einer scharfen Autokorrelationsfunktion (in diesem Beispiel eine Barker-Folge), die vom Codegenerator 203 ausgegeben wird, Fig. 32(c) ein von dem Generator 204 für eine kodierte Wellenform erzeugtes Signal, Fig. 32(d) ein von dem Verstärker 206 in den Korrelator 208 eingegebenes Fehlersignal und Fig. 32(e) ein Ausgangssignal des Korrelators 208.
Fig. 33 enthält eine Zeichnung zum Erläutern der Ausbildung des Korrelators 208, worin 208a Verzögerungselemente darstellen, welche ein Schieberegister usw. verwenden und eine Verzögerung um eine Zeiteinheit aufweisen, beispielsweise in einer Größenordnung von 1/5 bis 1/10 von 1/f&sub0;, und 208b Multiplikationsvorrichtungen darstellen, von denen jede eine Multiplikation von Daten aus dem Verzögerungselement 208a mit Bezugswellenformdaten Da - Dd, die in dem Bezugswellenformspeicher 207 gespeichert sind, durchführt, und 208c einen Addierer darstellt zum Summieren aller Ergebnisse der Multiplikationsvorrichtungen 208b.
In der wie vorstehend ausgebildeten Ultraschall- Prüfvorrichtung gibt der Codegenerator 203, in welchen das in Fig. 32(a) gezeigte, in dem Synchronsignalgenerator TG erzeugte Synchronsignal eingegeben wird, eine endliche binäre Folge von positiven und negativen Werten aus, wobei ein Wert während einer vorbestimmten Zeiteinheit T" gehalten wird. Die Aus gangswellenform des Codegenerators 203 ist in Fig. 32 (b) gezeigt. Als ein Mittel zum Erzeugen von Folgen wird ein voreinstellbares Schieberegister usw. eingesetzt, welches einen Schiebetakt mit einer Zeiteinheit T" verwendet. Eine Folge mit der Zeiteinheit T", die im Codegenerator 203 erzeugt wird, wird in den Generator 204 für codierte Wellenformen eingegeben. Eine Wellenform mit einer Frequenzkomponente f&sub0; wird in dem Generator 204 für codierte Wellenformen erzeugt mit einer Phase 0º im Fall des positiven Wertes und einer Phase von 180º im Fall des negativen Wertes jeweils für eine Periode der Zeiteinheit T". Ein Beispiel der bei einer solchen Gelegenheit erzeugten Wellenform ist in Fig. 32(c) gezeigt. In diesem Fall ist ein Zyklus einer Sinuswelle in dem Fall des positiven Wertes und einer um 180º verschobenen Sinuswelle in dem Fall des negativen Wertes zugeordnet. Als ein Mittel zum Erzeugen von Wellenformen wie vorstehend ist es möglich, Speicher mit gespeicherten Daten von Wellenformen jeweils für positive und negative Werte mit der Funktion, daß diese für jeden Wert ausgelesen werden, und einen Digital/Analog-Wandler zu verwenden.
Das im Generator 204 für codierte Wellenformen erzeugte Sendesignal wird in dem Sender 202 verstärkt und zu der Sonde 201 geliefert sowie in dem Bezugswellenformspeicher 207 gespeichert. Wenn ein digitales System bezüglich eines Systems zum Erzeugen des Sendesignals in dem Wellenformgenerator 204 verwendet wird, wird die Speicherung in einem Digitalspeicher bewirkt. Auch in dem Fall eines analogen Systems er folgt die Speicherung in einem digitalen Speicher durch Verwendung eines Analog/Digital-Wandlers.
Das der Sonde 201 zugeführte Sendesignal wird in einen Prüfling eingegeben, nachdem es in ein Ultraschallsignal umgewandelt wurde, in welchem es durch einen reflektierenden Körper wie eine Fehlstelle reflektiert wird und zu der Sonde 201 zurückkehrt. Ein von der Sonde 201 in ein elektrisches Signal umgewandeltes Fehlersignal wird durch den Verstärker 206 auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt und in den Korrelator 208 eingegeben. Der hier verwendete Korrelator wird nicht im Stand der Technik verwendet, bei welchem eine Verarbeitung der Gleichung (3) mit einer geringen Geschwindigkeit durchgeführt wird, indem "k" für jede Wiederholungsperiode des Aussendens variiert wird, sondern es ist ein Hochgeschwindigkeitskorrelator, der, wie in Fig. 33 gezeigt ist, so ausgebildet ist, daß er eine erforderliche Anzahl von Multiplikationsvorrichtungen und einen Addierer für die Ausgangssignale der Multiplikationsvorrichtungen aufweist.
Die Arbeitsweise des Korrelators 208 wird unter Bezug auf Fig. 33 erläutert.
Das von dem Verstärker 206 ausgegebene Empfangssignal wird in ein digitales Signal umgewandelt durch Verwendung eines Analog/Digital-Wandlers usw., in welchem es in digitale Werte mit einer Abtastperiode ts umgewandelt wird. In diesem Fall kann eine Abtastfrequenz, die als ts in der Zeitdomäne erhalten wird, gewählt werden in Übereinstimmung mit der Abtastdefinition betreffend eine Impulswellenform, so daß sie in einer Größenordnung des 5- bis 10fachen der verwendeten Frequenz f&sub0; ist, die in dem Generator 204 für codierte Wellenformen verwendet wird. Diese Wellenformdaten werden in die Verzögerungsleitung 208a eingegeben, welche Schieberegister verwenden und von den jeweiligen Stufen der Verzögerungsleitungen 208a als aj + k gemäß Gleichung (3) ausgegeben. Die an den jeweiligen Stufen ausgegebenen Empfangssignale aj + k werden durch jeweils vorgesehene Multiplikationsvorrichtungen 208b wie in der Gleichung (3) mit aj multipliziert, welche in dem Bezugswellenformspeicher 207 gespeichert sind. Nach dem Summieren aller dieser Ergebnisse durch den Addierer 208c wird das Ergebnis hiervon für jede Abtasteinheit von ts ausgegeben durch gleichzeitige Durchführung der Operation auf der rechten Seite der Gleichung (3). In der obigen Beschreibung ist aj willkürlich und nicht auf ±1 begrenzt.
Mit den obigen Schritten wird das in Fig. 32(c) gezeigte Sendesignal mit der Mittenkomponentenfrequenz f&sub0; zu der Sonde 201 geführt, und, wenn die Frequenz f&sub0; einer Mittenfrequenz der Sonde 201 angepasst ist, wird die in Fig. 19 gezeigte Beziehung hergestellt. Das Sendesignal unterscheidet sich von einem herkömmlichen Sendesignal und hat nahezu keine Energie in dem Niedrigfrequenzbereich. Somit geht nahezu die gesamte Energie des Sendesignals durch die Sonde 201 hindurch und daher wurde es im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem ein Sendesignal unter Verwendung der gleichförmigen Sendespannung benutzt wurde, möglich, ein Sendesignal mit einem hohen Wirkungsgrad durch die Ultraschallsonde hindurchzuführen, um den Rauschabstand gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel wurde das Sendesignal als eine Bezugswellenform für den Korrelator verwendet, und eine tatsächlich empfangene Signalwellenform kann in gewissem Ausmaß variieren in Abhängigkeit von den in Fig. 19 gezeigten Frequenzantwortcharakteristiken der Sonde und denen des Prüflings, welche einen Durchgang bilden, durch welchen sich die Ultraschallwelle fortpflanzt.
Fig. 34 zeigt die Ergebnisse der tatsächlichen Messung betreffend die Veränderung der Empfangswellenformen in dem tatsächlichen Durchgang. In diesem Fall wurde eine sogenannte Breitbandsonde mit ihrer Mittenfrequenz bei 5 MHz verwendet. Fig. 34(a) zeigt eine Wellenform des Sendesignals und Fig. 34(b) zeigt eine Wellenform, die als das Bodenflächenecho von einer Stahlplatte mit 25 mm Dicke empfangen wurde. Angesichts des Prinzips des Korrelationsprozesses ist der Korrelator 208 dadurch gekennzeichnet, daß er das maximale Ausgangssignal liefert, wenn dasselbe Signal wie das eingegebene Empfangssignal als ein Bezugssignal verwendet wird. Daher ist es gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel möglich geworden, einen Pegel des Signals nach dem Korrelationsprozess zu erhöhen und einen höheren Rauschabstand in dem Fall zu erhalten, in welchem der Korrelationsprozess des mit der Wel lenform 34(b) durchgeführt wird, im Vergleich mit dem Fall, in welchem ein Korrelationsprozess mit der Wellenform nach Fig. 34(a) durchgeführt wird, wobei die in Fig. 34(b) gezeigte Wellenform gefunden wird durch Messen der Veränderungen der Sendesignal-Wellenform in Abhängigkeit von den Frequenzantwortcharakteristiken entlang des Signaldurchgangs unter Verwendung von Standard-Prüfstücken bei der bevorzugten Bedingung [wie in Fig. 34(b)].
Während die vorliegende Erfindung, wie vorstehend erläutert ist, dazu beiträgt, den Pegel eines in einem Empfangssignal enthaltenen Fehlersignals anzuheben, liefert sie auch einen weiteren Vorteil durch Ausbildung des Wellenformspeichers und des Korrelators wie in Fig. 35 gezeigt. Die in Fig. 35 gezeigte Ausbildung dient zum Klassifizieren von Wellenformen der Reflexionsechos von dem Prüfling durch Verwendung der Merkmale des Korrelators 208, worin 207-1, 207-2, ..., 207-n Bezugswellenformspeicher sind zum Speichern von Bezugswellenformen, die von den Frequenzantwortcharakteristiken der Ultraschallwellen- Fortpflanzungsdurchgänge sowie den Frequenzantwortcharakteristiken von Reflektoren in dem Prüfling abgeleitet sind, 208-1, 208-2, ..., 208-n Korrelatoren sind entsprechend den Bezugswellenformspeichern 207- 1, 207-2, ..., 207-n, und CO ein Komparator ist zum Ausgeben des maximalen Wertes M der Ausgangssignale der Korrelatoren 208-1, ..., 208-n nach Vergleich von diesen sowie zur Ausgabe der Bezugswellenform, welche ein maximales Ausgangssignal als eine klassifizierte Fehlerinformation ergibt.
Vorstehend beschrieben ist ein Prozess, welcher die Merkmale des Korrelators dahingehend verwendet, daß der größte Rauschabstand erhalten wird, wenn das Sendesignal und das Bezugssignal dieselbe Wellenform haben. Daher ist es möglich, die Fehler in einem gewissen Ausmaß in Echtzeit zu klassifizieren, indem mehrere Reflexionssignale gespeichert werden, die vorher erhalten wurden, wie Reflexionssignale von geschichteten Ebenen oder ungerichteten Fehlstellen, in den Korrelationswellenformspeichern 207-1, ..., 207-n, Durchführen der jeweiligen Korrelationsprozesse in den Korrelatoren 208-1, ..., 208-n, und Vergleichen der Grade der jeweiligen Ausgangssignale für dasselbe Echo.
Die nachstehend aufgeführten Folgen sind Barker- Folgen mit derselben Autokorrelationsfunktion wie in Fig. 3(b) gezeigt.
a1j = + + + - - + -
a2j = + - + + - - -
Fig. 36 zeigt die Ergebnisse der Korrelationsoperationen der Folgen all und a2j, worin Fig. 36(a) das Ergebnis der Operation für die Folge all mit Verwendung der Folge a2j als Bezugssignal und Fig. 36(b) das Ergebnis der Operation für die Folge a2j mit Verwendung der Folge a1j als Bezugssignal wiedergeben. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, gibt es keine hohen Spitzen in der Korrelation zwischen den unterschiedlichen Folgen, obgleich sie dieselbe Auto korrelationsfunktion haben.
Nun wird daran erinnert, daß das Problem betreffend das Nachhallecho eine Erscheinung ist, bei der das in dem vorhergehenden Sendezyklus erzeugte Ultraschallsignal eine Störung verursacht. Eine Arbeitsweise der Ultraschall-Prüfvorrichtung wird erläutert, bei der das obige Problem gelöst wird. Wie aus Fig. 36 ersichtlich ist, wird das bei dem vorhergehenden Senden kodierte Nachhallecho um angenähert 7 dB herabgesetzt, wenn eine unterschiedliche Folge, die dieselbe Autokorrelationsfunktion wie vorstehend besitzt, erzeugt wird durch Umschalten bei jeder Sendewiederholung, wobei das Synchronsignal von dem Synchronsignalgenerator TG und auch die Bezugswellenform des Bezugswellenformspeichers 207 geändert werden in Übereinstimmung mit der Folge der Sendewellenform.
Weiterhin werden ein Fehlstellen-Erfassungssignal vergrößert und ein Rauschabstand verbessert, wie vorstehend erläutert ist, wenn ein Signal mit einer Frequenzantwortcharakteristik entlang eines Ultraschallwellen-Durchgangs als ein Bezugssignal gesetzt ist.
Die vorstehend erläuterte Barker-Folge besitzt sicher eine scharfe Autokorrelationsfunktion; jedoch hat sie, wie aus Fig. 3(b) ersichtlich ist, Nebenkeulenpegel von 1/n. Daher besteht ein Problem, wenn ein Fehlstellenecho benachbart einem großen Bodenecho in einem vertikalen Fehlstellen-Erfassungssystem klassifiziert werden soll. In einem solchen Fall wie dem obigen ist es möglich, das Problem der Nebenkeulen durch Verwendung einer komplementären Folge zu beseitigen. Jedoch haben die Erfinder festgestellt, daß die Summe von mehr als vier Arten von Autokorrelationsfunktionen wie
ρaa(k), ρbb(k), ρcc(k) und ρdd(k), d. h.
r(k) = ρaa(k) + ρbb(k) + ρcc(k) + ρdd(k) ... (201)
wird Null an allen Punkten mit Ausnahme von k = 0. Da dieser Umstand in der bisher verfügbaren Literatur noch nicht behandelt wurde, werden in dieser Be - schreibung diese Folgen {aj}, {bj}, {cj} und {dj} als mehrfache komplementäre Folge oder n-Komplementärfolge bezeichnet. Fig. 37(a) zeigt ein Beispiel einer mehrfachen komplementären Folge, bei der n = 4 ist, und zeigt Signale der binären Folge an, die durch die Gleichung (202) ausgedrückt sind.
{aj} - - - + +
{bj} = - + - +
{cj} = - + + -
{dj} = + + + + ... (202)
Fig. 37(b) zeigt Autokorrelationsfunktionen von {aj}, {bj}, {cj} und {dj}, die auf der Grundlage der Gleichung (3) in dem Bereich von -n ≤ k ≤ n berechnet wurden.
Fig. 37 (c) zeigt die Summe ρ(k) der jeweiligen Autokorrelationsfunktionen, die auf der Grundlage der Gleichung (201) berechnet wurden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist es theoretisch möglich, die Pegel von Bereichs-Nebenkeulen in der mehrfachen komplementären Folge zu Null zu machen. Dies wird später ausführlicher erläutert.
Fig. 38 zeigt eine erläuternde Konstruktion, welche die obige Idee darstellt, in der 201, 202, 204, 206, 207, 208, TG und 211 dieselben wie diejenigen in Fig. 31 sind, 210 ist ein Codegenerator, der mit dem Synchronsignalgenerator TG verbunden und so ausgebildet ist, daß er eine endliche binäre Folge mit positiven und negativen Werten bei jeder Zeit T" ausgibt und der mit dem Codewellenformgenerator 203 verbunden ist. Der Codegenerator 210 gibt die Folge aus durch aufeinander folgende Änderung der jeweiligen Folgen der komplementären Folge oder mehrfachen komplementären Folge mit einem Sendesignal-Wiederholungszyklus, und 209 ist eine Addiervorrichtung zum Summieren von von den jeweiligen Folgen abgeleiteten Korrelationswellenformen.
Fig. 39 ist eine Zeichnung zum Erläutern der Arbeitsweise der Addiervorrichtung 209, worin es in diesem Fall beabsichtigt ist, den Addierer für die komplementäre Folge zu erläutern. 209a ist ein Speicher für die zuletzt aufgetretene Wellenform durch Verwendung beispielsweise eines Schieberegisters, und 209b ist ein Addierer zum Summieren der Ausgangssignale des Speichers für die letzte Wellenform und des Korrelators 208.
Die Arbeitsweise der Konstruktion ist nahezu dieselbe wie die in Verbindung mit Fig. 31 erläuterte, und da her wird die Arbeitsweise für die Teile erläutert, welche sich von denjenigen in Fig. 31 unterscheiden.
Eine in dem Codegenerator 210 erzeugte Folge wird übertragen, umgewandelt als ein Sendesignal durch den Generator 204 für kodierte Wellenformen, über den Sender 202 zur Sonde 201. Ein innerhalb eines Prüflings reflektiertes Ultraschallwellensignal wird durch den Empfangssignalverstärker 206 verstärkt und seine Korrelationsoperation mit dem Ausgangssignal des Bezugswellenformspeichers 207 wird durch den Korrelator 208 durchgeführt. Das Ergebnis der Operation wird in Reihenfolge in dem letzten Wellenformspeicher 209a gespeichert, der beispielsweise durch Verwendung eines Schieberegisters oder dergleichen ausgebildet ist, und die letzte Wellenform nach der Korrelationsoperation wird synchron mit der gegenwärtigen Wellenform ausgegeben. Wenn eine in dem gegenwärtigen Sendesignal verwendet Folge gleich {aj} ist, dann ist das letzte Sendesignal in dem Fall der komplementären Folge das durch {bj} kodierte Signal. Daher führt der Addierer die Operation durch, die in der Gleichung (6) ausgedrückt ist. Demgemäß ist das von dem Addierer ausgegebene Signal ein Signal, in welchem die Bereichs-Seitenkeulen verbessert sind. In dem Fall einer n-Komplementärfolge wird eine erforderliche Anzahl von letzten Wellenformspeichern 209a vorbereitet und ihre jeweiligen Ausgangssignale werden durch den Addierer 109b summiert.
Die Verwendung einer komplementären Folge oder einer n-Komplementärfolge mit den vorbeschriebenen Merkma len verbessert sicher die Bereichs-Nebenkeulen und ergibt einen weiteren charakteristischen Vorteil. Wenn z. B. ein äußeres elektrisches Rauschen mit einem ziemlich großen Pegel, das keine Korrelation mit den Folgen hat, zugemischt wird, kann das Rauschen auf den Pegel reduziert werden, der durch die Folgenlänge n bestimmt ist, aber in einigen Fällen kann ein Rauschabstand mit einem ausreichenden Pegel nicht sichergestellt werden. In einem solchen Fall werden, wenn das vorteilhafte Merkmal der Verwendung des summierten Ergebnisses mit Bezug auf eine Anzahl von Folgen angewendet wird, weitere Wirkungen dahingehend erzielt, daß das herauskommende elektrische Rauschen weiterhin reduziert werden kann auf den Pegel, der durch 2 in dem Fall der Verwendung einer komplementären Folgen bei der Fehlstellenerfassung bestimmt ist, und auf den Pegel, der in dem Fall der Verwendung der in Fig. 37 gezeigten n-Komplementärfolge durch 4 bestimmt ist, und daß die Bereichs-Nebenkeulen verbessert werden. Während ähnliche Wirkungen bei einem reinen Durchschnittsbildungsprozess erwartet werden können, erzielt die Verwendung von Folgen mit unterschiedlichen Autokorrelationsfunktionen bei jeder von Wiederholungen theoretisch die weitere vorteilhafte Wirkung dahingehend, daß sie auch das herauskommende elektrische Rauschen mit einem Periodizitätsmerkmal reduzieren kann.
Die Fig. 40(a) und (b) zeigen Sendesignale in dem Fall, in welchem eine komplementäre Folge mit n = 8 verwendet wird, Fig. 41(a) und (b) zeigen Empfangssignale von Bodenechos von einer Platte mit einer Dicke von 25 mm durch Verwendung der Sendesignale nach den Fig. 40, Fig. 42(a) und (b) zeigen die Summe der korrelationsverarbeiteten Wellenformen der in Fig. 41 gezeigten Empfangssignale mit in Fig. 40 gezeigten Sendesignalen als Bezugssignalen in linearem bzw. logarithmischem Maßstab, Fig. 42(c) und (d) zeigen die Summe der korrelationsverarbeiteten Wellenformen in linearem bzw. logarithmischem Maßstab, welche von den in Fig. 41 gezeigten Empfangswellenformen erhalten wurden, durchgeführt unter denselben Bedingungen mit Verwendung der in Fig. 41 gezeigten Sendesignale als Bezugssignale. Bei Vergleich der obigen experimentellen Ergebnisse ist festzustellen, daß die Bereichs-Nebenkeulen um nahezu 17 dB verbessert sind, wenn ein Bezugssignal so angeordnet ist, daß es die Frequenzantwortcharakteristiken eines Durchgangs, durch welchen sich Ultraschallwellen, d. h. die Sendesignale fortpflanzen, trägt.
Das in Fig. 43 gezeigte Diagramm illustriert eine Frequenzantwortcharakteristik A der Ultraschallsonde, eine Frequenzantwortcharakteristik B des Prüflings und eine kombinierte Frequenzantwortcharakteristik C. Vorstehend wurde erläutert, daß der Sendeenergie- Wirkungsgrad ein Maximum ist, wenn das in dem Generator 204 für kodierte Wellenformen erzeugte Sendesignal der Mittenfrequenz fp der Sonde angepasst ist, wie in Fig. 43 gezeigt ist. Jedoch kann bei dem gegenwärtigen Beispiel, bei welchem die Dämpfung innerhalb des Prüflings berücksichtigt werden muß, der Fall eintreten, daß die den maximalen Wirkungsgrad ergebenden Frequenzen nicht angepasst sind in Abhän gigkeit von der Dämpfung (Frequenzantwortcharakteristik) des Prüflings an die Mittenfrequenz der Sonde. In einem solchen Fall wie dem obigen kann Energie des Sendesignals wirksamer zu dem Körper des Prüflings gerichtet werden, um den Rauschabstand des Empfangssignals zu verbessern, wenn eine Frequenz des Sendesignals, das in dem Generator 204 für kodierte Wellenformen erzeugt ist, nicht der Mittenfrequenz (fp) der Sonde angepasst ist, sondern der Mittenfrequenz (f&sub0;) der Frequenzantwortcharakteristik der Kombination aus der Sonde und dem Prüfling.
In Fig. 44 wird eine mehrfache komplementäre Folge verwendet, um Bereichs-Nebenkeulen auszulöschen. Der hier verwendete Begriff "mehrfache komplementäre Folge" oder "n-Komplementärfolge" bedeutet, daß, verglichen mit einer gewöhnlichen komplementären Folge, welche zwei Folgen mit jeweils derselben Länge aufweist, diese eine gerade Anzahl (4 oder mehr als 4) von Folgen umfasst, die jeweils dieselbe Länge haben, und eine Bereichs-Nebenkeule vollständig verschwindet, wenn die jeweiligen Autokorrelationsfunktionen der Folgen summiert werden. In Fig. 44 sind eine Ultraschallsonde 301 und eine Anzeigevorrichtung 311 dieselben wie die in Fig. 5 gezeigten.
Die Ultraschallsonde 301 ist auch mit dem Generator 305A für ein amplitudenkodiertes Sendesignal verbunden und ist in Berührung mit dem Prüfling S.
Die Arbeitsweise der Konstruktion wird unter Bezugnahme auf die Fig. 45, 46 und 47 erläutert.
Die in den Fig. 45(a) bis (d) gezeigten Sendesignale sind solche, die durch Kodierung ihrer Amplituden erhalten wurden. Die für die Kodierung verwendeten Folgen sind Bestandteile einer mehrfachen komplementären Folge, welche vier Folgen mit jeweils einer Länge von 5 aufweist. Die vier Folgen werden als erste, zweite, dritte und vierte Folge bezeichnet und sind wie folgt.
Erste Folge (-, -, -, +, -);
zweite Folge (-, -, -, +, +);
dritte Folge (-, -, +, -, -); und
vierte Folge (-, -, +, -, +).
Um das Verständnis der Beziehung zwischen diesen Folgen und der Amplitudenkodierung zu erleichtern, sind die Vorzeichen der obigen Folgen in die Fig. 45(a) bis (d) eingefügt.
Nachfolgend werden den in den Fig. 45(a) bis (d) gezeigten Sendesignalen ebenfalls Nummern entsprechend den Nummern der obigen Folgen gegeben und sie werden als erstes, zweites, drittes bzw. viertes Sendesignal bezeichnet.
Der Generator 305A für amplitudenkodierte Sendesignale erzeugt die obigen vier Sendesignale nacheinander mit einer bestimmten festen Wiederholungsperiode Tr, wie in Fig. 46 gezeigt ist, und überträgt sie zu der Ultraschallsonde 301.
Die Ultraschallsonde 301 wird aufeinander folgend durch die vier Sendesignale betrieben und überträgt Schallwellen in den Körper des Prüflings S. Dann werden an Fehlstellen usw. innerhalb des Prüflings S reflektierte Echos von der Sonde 301 empfangen. Diese Echos werden zu dem Korrelator 301A übertragen.
Durch Betreiben der Ultraschallsonde 301 mit dem ersten, zweiten, dritten und vierten Sendesignal erhaltene Echos werden, wie in Fig. 47 gezeigt ist, als erstes, zweites, drittes bzw. viertes Echo bezeichnet. Da Sendesignale zu der empfangsseitigen Schaltung (die Seite des Korrelators 310A) teilweise gestreut werden, illustriert Fig. 47 auch eine derartige Situation.
Der Korrelator 310A komprimiert das "i"-te Echo (i = 1, 2, 3, 4), indem er einen Korrelationsprozess an diesem unter Verwendung des "i"-ten Sendesignals durchführt. Der komprimierte Impuls, der durch Komprimieren des "i"-ten Echos erhalten wurde, wird als der "i"-te komprimierte Impuls bezeichnet. Der erste, zweite, dritte und vierte komprimierte Impuls werden aufeinander folgend zu dem Addierer 310B übertragen.
Der Addierer 310B speichert den ersten, zweiten und dritten komprimierten Impuls in seinem Speicher, bis der vierte komprimierte Impuls zu ihm übertragen wird, und zu der Zeit, zu der der vierte komprimierte Impuls übertragen wird, summiert er den ersten, zweiten und dritten komprimierten Impuls. Nachfolgend wird das Ergebnis des Summiervorgangs als zusammenge setzter komprimierter Impuls bezeichnet. Dieser zusammengesetzte komprimierte Impuls wird von dem Addierer 310B zu der Anzeigevorrichtung 311 übertragen.
Eine Autokorrelationsfunktion wurde berechnet auf der Grundlage der folgenden Gleichung, welche modifiziert ist gegenüber der Gleichung (17.4) die auf Seite 475 der Bezugnahme D gezeigt ist.
ρaa(k) = Σaj+k·aj ... (301)
(Summierbereich: 0 - n-1)
In der obigen Gleichung ist ρaa eine Autokorrelationsfunktion einer Folge "a" und "k" ist eine ganze Zahl. aj zeigt ein "j"-tes Element (+1 oder -1) der folge "a" an und "n" ist die Länge der Folge. Wenn beispielsweise die Folge "a" die vorgenannte erste Folge (-, -, -, +, -) ist, dann sind a&sub0; = a&sub1; = a&sub2; = a&sub4; = -1 und a&sub3; = 1.
Nachfolgend werden die Autokorrelationsfunktionen der ersten, zweiten, dritten und vierten Folge ausgedrückt durch ρ&sub1;&sub1;, ρ22, ρ&sub3;&sub3; bzw ρ&sub4;&sub4;. Die Gleichung (301) wird gebildet durch Multiplizieren der rechten Seite der Gleichung (17.4) in der Bezugnahme D mit "n". Ob die Multiplikation mit "n" angewendet wird oder nicht, ist ein Unterschied zwischen Normalisierungen von Autokorrelationsfunktionen, ob es so ausgedrückt wird, daß der Spitzenwert der primären Keule gleich "1" oder gleich "n" wird. Es ist möglich, jedes von ihnen anzuwenden für den Fall, in welchem relative Pegel von Bereichs-Nebenkeulen betrachtet werden. In jeder der vier in den Fig. 48 gezeigten Autokorrelationsfunktionen ρ&sub1;&sub1;, ρ&sub2;&sub2;, ρ&sub3;&sub3; und ρ&sub4;&sub4; sind die Pegel ihrer Bereichs-Nebenkeulen hoch. Jedoch kann ein Fall eintreten, bei dem keine Bereichs-Nebenkeule gefunden wird, wie in Fig. 49 gezeigt ist, mit Bezug auf
ρ&sub1;&sub1; + ρ&sub2;&sub2; + ρ&sub3;&sub3; + ρ&sub4;&sub4;
(nachfolgend wird dies als eine zusammengesetzte Autokorrelationsfunktion bezeichnet).
Jede Kombination der beiden aus den obigen vier Folgen ausgewählten zwei Folgen ergibt nicht eine Kombination die eine komplementäre Folge wird. Es ist klar aus den Fig. 48(a) bis 48(d), daß das Summieren von zwei aus diesen vier willkürlich ausgewählten Autokorrelationsfunktionen nicht zu einer Kombination führt, welche nach dem Summieren keine Bereichs- Nebenkeule ergibt.
Wie in Fig. 49 gezeigt ist, verschwinden Bereichs- Nebenkeulen, wenn die vier Autokorrelationsfunktionen ρ&sub1;&sub1;, ρ&sub2;&sub2;, ρ&sub3;&sub3; und ρ&sub4;&sub4; summiert werden, und daher wird erwartet, daß auch keine Bereichs-Nebenkeule in einem zusammengesetzten komprimierten Impuls auftritt. Dies wurde wie folgt bestätigt durch Verwendung eines Computersimulationsprozesses.
Ein komprimierter Impuls wird gegeben, wie in der Bezugnahme C diskutiert wird, durch eine Zusammenrollung einer Autokorrelationsfunktion eines Sendesignals mit einer Impulsantwort der Ultraschallsonde 301. Die hier verwendete Impulsantwort ist die Antwort der Ultraschallsonde 301, wenn die Sende- und Empfangsvorgänge von Ultraschallwellen insgesamt betrachtet werden.
Fig. 50 zeigt eine Wellenform der Impulsantwort der Ultraschallsonde 3017 Fig. 51 (a), (b), (c) und (d) illustrieren die berechneten Wellenformen des ersten, zweiten, dritten und vierten komprimierten Impulses, und Fig. 52 zeigt die berechnete Wellenform des zusammengesetzten komprimierten Impulses.
Bei den Berechnungen wurde die Zeitdauer der Impulsantwort so eingestellt, daß sie 1,5 der in Fig. 50 gezeigten Zyklen ist. In der Zeichnung bezeichnet fc eine Mittenfrequenz der Ultraschallsonde 301.
Wie vorstehend erläutert ist, wurde der "i"-te komprimierte Impuls erhalten, indem eine Zusammenrollungsintegration mit der "i"-ten Autokorrelationsfunktion des in den Fig. 45(a) bis (d) gezeigten Sendesignals und der in Fig. 50 gezeigten Impulsantwort der Ultraschallsonde 301 durchgeführt wurde. Die Autokorrelationsfunktion des "i"-ten Sendesignals ist dieselbe wie die Autokorrelationsfunktion der in den Fig. 48(a) bis (d) gezeigten "i"-ten Folge, wenn eine Zeiteinheit δ so angeordnet ist, daß sie einer Bit-Einheit auf der in den Fig. 48(a) bis (d) gezeigten Abszisse entspricht. In diesem Fall wurde δ = 1/(2fc) bei der Berechnung verwendet.
Wie in den Fig. 51(a) bis (d) gezeigt ist, sind die Pegel von Bereichs-Nebenkeulen in jedem der vier komprimierten Impulse hoch. Jedoch ist, wie erwartet, keine Bereichs-Nebenkeule in dem zusammengesetzten komprimierten Impuls, wie in Fig. 52 gezeigt ist. In den Fig. 51(a) bis (d) und 52 wurde bei der Berechnung die obige Zeiteinheit δ als 1/(2fc) gesetzt; jedoch ist selbst bei einer Abweichung von diesem Wert in den Berechnungen keine Bereichs-Nebenkeule in dem zusammengesetzten komprimierten Impuls.
Auch wurde vorstehend die Zeitdauer der Impulsantwort der Ultraschallsonde 301 so gesetzt, daß sie 1,5 Zyklen beträgt, aber selbst wenn die Zykluszahl von den 1,5 Zyklen bei der Berechnung abweicht, tritt keine Bereichs-Nebenkeule in dem zusammengesetzten komprimierten Impuls auf.
Bei dieser Art von zerstörungsfreier Ultraschall- Prüfvorrichtung wird eine Größe der Verbesserung SNRE des Rauschabstandes ausgedrückt durch
SNRE = nNBδ ... (302)
wie in der Bezugnahme B beschrieben ist. Dieses SNRE zeigt einen Verbesserungsgrad eines Rauschabstandes nach der Korrelationsverarbeitung des Echos relativ zu einem Rauschabstand des Echos vor der Korrelationsverarbeitung an.
In der Gleichung (302) bedeutet "n" die Länge einer Folge; "N" ist eine Sendewiederholungszahl unter der Annahme, daß der komprimierte Impuls erhalten wird, indem ein Korrelationsprozess für jede Sendewiederholungsperiode durchgeführt wird, und daß das durch Summieren dieser komprimierten Impulse erhaltene Ergebnis als ein endgültiges Ergebnis angezeigt wird. D. h. N ist gleich 2 in dem Fall, in welchem eine komplementäre Folge verwendet wird, und N ist gleich 4 in dem Fall, in welchem eine mehrfache komplementäre Folge in dem sechsten Ausführungsbeispiel verwendet wird; B ist eine Bandbreite des Echos; und δ ist eine Zeiteinheit entsprechend einer Biteinheit einer Folge. In der Gleichung (302) entspricht das Produkt von "n" und "δ" einer Impulsbreite eines Sendesignals.
Es ist aus der Gleichung (302) ersichtlich, daß, wenn die Impulsbreite (nδ) des Sendesignals größer gemacht wird, der Rauschabstand größer wird. Daher ist es erforderlich, die Impulsbreite zu verlängern, wenn eine Verbesserung nur in Bezug auf den Rauschabstand betrachtet wird.
Wenn jedoch die Impulsbreite eines Sendesignals vergrößert wird, tritt ein anderes Problem auf, welches nachfolgend beschrieben wird. Während der Periode des Aussendens eines Signals kann ein Echo nicht genau empfangen werden, da das Sendesignal zu der Seite der Empfangsschaltung streut, wie in Fig. 47 gezeigt ist. Daher wird die Zeitdauer (nδ), in der das Sendesignal andauert, zu einer Totzeit, welche für die Prüfung nicht ausgenutzt werden kann. Dies bedeutet, daß ein Bereich von der Oberfläche des Prüflings S bis zu der Tiefe (vnδ)/2, zeitlich entsprechend der Hälfte der Impulsbreite des Sendesignals, zu einer toten Zone wird und nicht untersucht werden kann, wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle innerhalb des Prüflings S ist. Der Grund, warum eine Hälfte der Impulsbreite betrachtet wird, liegt darin, daß die Ultraschallwelle eine Hin- und Herbewegung innerhalb des Prüflings S durchläuft. Daher ist es erforderlich, die Sendesignal-Impulsbreite schmal zu machen, um die tote Zone zu verkleinern.
D. h. die Forderung nach Verbesserung des Rauschabstandes und die Forderung zur Verkleinerung der toten Zone sind einander entgegengerichtet. Demgemäß ist es erforderlich, die Impulsbreite eines Sendesignals so zu bestimmen, daß ein geforderter Rauschabstand erhalten werden kann und die tote Zone innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt.
Um die Impulsbreite (nδ) eines Sendesignals auf eine wie vorstehend bestimmte geforderte Breite einzustellen, können "n" oder "δ" in geeigneter Weise geändert werden.
Wenn "δ" betrachtet wird, so wird dieser Wert gewöhnlich nahe 1/(2fc) eingestellt, um den Wirkungsgrad der Ausnutzung der Energie des Sendesignals zu verbessern, wobei fc die Mittenfrequenz der Ultraschallsonde 301 ist. Dies wird erläutert unter Bezugnahme auf Fig. 53.
Fig. 53 zeigt die Beziehung zwischen einer Taktfrequenz und einem Rauschabstand, welche beispielsweise in der Bezugnahme B gezeigt ist.
In Fig. 53 ist die relative Änderung eines Rauschabstandes aufgrund der Änderung des Wirkungsgrades der Ausnutzung der Energie des Sendesignals gezeigt, wenn eine Taktfrequenz, die als ein reziproker Wert von δ gegeben ist, geändert wird.
Wie aus Fig. 53 ersichtlich ist, ist es erforderlich, eine Taktfrequenz nahe 2fc zu wählen, um eine Prüfung mit einem guten Rauschabstand durchzuführen, indem der Wirkungsgrad der Ausnutzung der Energie des Sendesignals angehoben wird. D. h. "δ" ist so zu wählen, daß es nahe 1/(2fc) ist.
Daher ist es vorteilhaft, die Länge "n" einer Folge zu ändern, um die Impulsbreite (nδ) auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Bei der Ultraschallwellen verwendenden zerstörungsfreien Prüfvorrichtung werden Sendesignale, beispielsweise wie in Fig. 46 gezeigt, periodisch mit einem bestimmten Zyklus wiederholt, um die Ultraschallsonde 301 zu betreiben. Bei dieser Gelegenheit werden Ultraschallwellen mehrfach in dem Prüfling S reflektiert und daher können sie manchmal als Echos in der Periode empfangen werden, in der das nachfolgende Sendesignal wiederholt wird, welche später ist als die Periode, in der das vorhergehende Sendesignal wiederholt wird. Dieser Typ von Echos wird als Nachhallechos bezeichnet.
Fig. 54 zeigt eine Wellenform der Nachhallechos bei der Vorrichtung nach Fig. 44.
In Fig. 54 ist ein Zustand gezeigt, in welchem das Nachhallecho in der nächsten Sendewiederholungsperiode empfangen wird, die der Wiederholungsperiode nachfolgt, in der das Sendesignal erzeugt wurde. In diesem Fall sind die Pegel der Nachhallechos die höchsten, da, wenn der Empfang des Nachhallechos später erfolgt, der Pegel des Nachhallechos kleiner wird, da er nach dem Durchgang durch einen längeren Übertragungsweg empfangen wird. Nachfolgend wird ein Nachhallecho, das von einem "i"-ten Sendesignal abgeleitet ist, als das "i"-te Nachhallecho bezeichnet. Ein Nachhallecho kann nicht von einem Echo unterschieden werden, das einmal an einer reflektierenden Fläche innerhalb eines Prüflings S reflektiert und in der Sendewiederholungsperiode empfangen wurde, in der das Sendesignal erzeugt wurde. Daher bewirkt das Nachhallecho eine Störung bei der Prüfung.
Fig. 55 zeigt eine Wellenform eines Nachhallechos in einer herkömmlichen zerstörungsfreien Ultraschall- Prüfvorrichtung.
Bezüglich einer herkömmlichen Vorrichtung wird ein Fall betrachtet, in welchem eine komplementäre Folge mit einer Länge von 4 verwendet wird, die nachfolgend dargestellt ist.
Erste Folge = (+, +, +, -)
zweite Folge = (+, +, -, +)
Es wird nun der schwerwiegendste Fall betrachtet, in welchem ein Pegel eines Nachhallechos am höchsten ist, d. h. das Nachhallecho in einer nächsten Sendewiederholungsperiode empfangen wird, die der Sendewiederholungsperiode nachfolgt, in der das Sendesignal erzeugt wurde.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung tritt das Nachhallecho wie in Fig. 55 angezeigt auf. D. h. das erste Nachhallecho wird in der Sendewiederholungsperiode empfangen, in der das zweite Sendesignal erzeugt wird, und das zweite Nachhallecho wird in der Sendewiederholungsperiode empfangen, in der das erste Sendesignal erzeugt wird. Demgemäß wird bei der Signalverarbeitung der Echos eine Korrelationsoperation zwischen dem ersten Nachhallecho und dem zweiten Sendesignal durchgeführt. In ähnlicher Weise wird eine Korrelationsoperation zwischen dem zweiten Nachhallecho und dem ersten Sendesignal durchgeführt. Die Ergebnisse dieser beiden Korrelationsoperationen werden miteinander summiert und als das endgültige Ergebnis angezeigt.
Das erste und das zweite Echo sind auf die Sendesignale bezogen, welche durch die erste bzw. zweite Folge amplitudenkodiert sind. Demgemäß wird, wenn ein Pegel eines Summierungsergebnisses von Korrelationsfunktionen (bezeichnet als eine zusammengesetzte Kreuzkorrelationsfunktion), nämlich ρ&sub1;&sub2; + ρ&sub2;&sub1;, relativ zu dem Spitzenwert einer primären Keule einer zusammengesetzten Autokorrelationsfunktion ρ&sub1;&sub1; + ρ&sub2;&sub2; kleiner wird, ein Störungsgrad des Nachhallechos bei der Prüfung kleiner, worin ρ&sub1;&sub2; eine Kreuzkorrelationsfunktion der ersten und der zweiten Folge und ρ&sub2;&sub1; eine Kreuzkorrelationsfunktion der zweiten und der ersten Folge darstellen.
Die obige zusammengesetzte Kreuzkorrelationsfunktion wurde berechnet mit Bezug auf die
erste Folge = (+, +, +, -) und
zweite Folge = (+, +, -, +)
und sie wurde durch "8" geteilt, welches der Spitzenwert der primären Keule der zusammengesetzten Autokorrelationsfunktion ist. Das Ergebnis war (0, 1/8, 3/8, 3/8, 3/8, 1/8, 0). In diesem Ergebnis beträgt der Spitzenwert 3/8 = 0,375.
Die Kreuzkorrelationsfunktion wurde erhalten durch die folgende Gleichung
ρab(k) = Σaj+k·bj ... (303)
(Summierbereich: 0 ~n-1)
welche gegenüber der Gleichung (17.8) auf Seite 476 der Bezugnahme D modifiziert wurde.
In der Gleichung (303) ist ρab eine Kreuzkorrelationsfunktion der Folgen "a" und "b" mit derselben Länge "n", und die Anfügungen "j" und "k" sind dieselben wie diejenigen in der Gleichung (301). In der Gleichung (303) wurde die rechte Seite der Gleichung (17.8) in der Bezugnahme D nur mit "n" multipliziert, zur Anpassung an die Gleichung (301), die bei der Berechnung der Autokorrelationsfunktion verwendet wurde.
Für den Zweck des Vergleichs mit Bezug auf das obige Berechnungsergebnis wurde eine ähnliche Berechnung bei dem sechsten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 54 gezeigt ist, durchgeführt.
In Fig. 54 wird das erste Nachhallecho in der Sendewiederholungsperiode empfangen, in der das zweite Sendesignal erzeugt wird, das zweite Nachhallecho wird in der Sendewiederholungsperiode empfangen, in der das dritte Sendesignal erzeugt wird, das dritte Nachhallecho wird in der Sendewiederholungsperiode empfangen, in der das vierte Sendesignal erzeugt wird, und das vierte Nachhallecho wird in der Sendewiederholungsperiode empfangen, in der das erste Sendesignal erzeugt wird. Daher werden in den jeweiligen Stufen der Signalverarbeitung von Echos Korrelationsoperationen zwischen dem ersten Nachhallecho und dem zweiten Sendesignal, zwischen dem zweiten Nachhallecho und dem dritten Sendesignal, zwischen dem dritten Nachhallecho und dem vierten Sendesignal und zwischen dem vierten Nachhallecho und dem ersten Sendesignal durchgeführt. Die Ergebnisse dieser vier Korrelationsoperationen werden miteinander summiert und als das endgültige Ergebnis angezeigt. Nun wurden mit Bezug auf die folgenden Folgen, nämlich
erste Folge = (-, -, -, +, -),
zweite Folge = (-, -, -, +, +),
dritte Folge = (-, -, +, -, -), und
vierte Folge = (-, -, +, -, +),
die Kreuzkorrelationsfunktion der ersten und der zweiten Folge (nachfolgend als ρ&sub1;&sub2; bezeichnet), die Kreuzkorrelationsfunktion der zweiten und der dritten Folge (nachfolgend als ρ&sub2;&sub3; bezeichnet), die Kreuzkorrelationsfunktion der dritten und der vierten Folge (nachfolgend als ρ&sub3;&sub4; bezeichnet) und die Kreuzkorrelationsfunktion der vierten und der ersten Folge (nachfolgend als ρ&sub4;1 bezeichnet) berechnet und eine zusammengesetzte Kreuzkorrelationsfunktion ρ&sub1;&sub2; + ρ&sub2;&sub3; + ρ&sub3;&sub4; ρ&sub4;&sub1; wurde erhalten durch Summieren der obigen vier Kreuzkorrelationsfunktionen. Dann wurde die obige zusammengesetzte Kreuzkorrelationsfunktion durch "20" geteilt, was der Spitzenwert der zusammengesetzten Autokorrelationsfunktion ρ&sub1;&sub1; + ρ&sub2;&sub2; + ρ&sub3;&sub3; + ρ&sub4;&sub4; ist.
Das Ergebnis war (0, 0, 0, 1/5, 1/5, 1/5, 0, 0, 0). Der Spitzenwert in diesem Berechnungsergebnis ist
1/5 = 0,2,
was niedriger ist im Vergleich mit dem ähnlichen Berechnungsergebnis mit Bezug auf die Vorrichtung mit zwei Sendesignalen, in der der Spitzenwert gleich 0,375 ist.
Die Fig. 55(a) und (b) erläutern eine mehrfache komplementäre Folge mit vier oder sechs Folgen. Fig. 56(a) zeigt Beispiele einer mehrfachen komplementären Folge, in welcher keine Bereichs-Nebenkeule auftritt, wenn die Autokorrelationsfunktionen von vier Folgen miteinander summiert werden. Die Folge wird ausgedrückt durch Verwendung der folgenden Beziehung. Hierbei entspricht "1" einem Vorzeichen "+" und "0" entspricht einem Vorzeichen "-", so daß beispielsweise eine Folge (+, +, +, -) dargestellt wird [1 1 1 0]. Als Nächstes wird [1 1 1 0] betrachtet als ein numerischer Wert, der durch das binäre System ausgedrückt wird, und dieser Wert wird in einen durch das Dezimalsystem ausgedrückten numerischen Wert umgewandelt. D. h. [1 1 1 0] wird in [14] umgewandelt. Durch eine derartige Beziehung entspricht eine Folge einem numerischen Wert.
Wie auf Seite 476 der Bezugnahme D offenbart ist, besitzen eine Folge, in der die Vorzeichen "+" und "-" mit Bezug auf eine bestimmte binäre Folge umgekehrt sind, und eine Folge, in der die Reihenfolge ihrer Komponenten umgekehrt ist, dieselbe Autokorrelationsfunktion. Beispielsweise besitzt relativ zu einer Folge (+, +, +, -) irgendeine der Folgen (-, -, -, +), (-, +, +, +) und (+, -, -, -) dieselbe Autokorrelationsfunktion. Wenn die obigen vier Folgen durch numerische Werte ausgedrückt werden unter Verwendung der vorstehend erläuterten Beziehung, werden sie ausgedrückt als [14], [1], [7] und [8], aber der minimale Wert [1] wird in Fig. 56(a) verwendet, um die verbleibenden drei darzustellen.
Fig. 56(b) zeigt Beispiele von mehrfachen komplemen tären Folgen, bei denen keine Bereichs-Nebenkeule auftritt, wenn die Autokorrelationsfunktionen von sechs Folgen summiert werden. Die Bedeutung der numerischen Werte ist dieselbe wie diejenige in Fig. 56(a). In dem Fall, in welchem die in Fig. 56(b) gezeigte mehrfache komplementäre Folge verwendet wird, werden sechs Sendesignale, welche durch die jeweiligen Folgen amplitudenkodiert sind, aufeinander folgend erzeugt, und sechs Echos, die jeweils den obigen Sendesignalen entsprechen, werden korrelationsverarbeitet unter Verwendung der jeweiligen entsprechenden Sendesignale, um sechs komprimierte Impulse zu erhalten. Danach werden, wenn diese Impulse als ein zusammengesetzter komprimierter Impuls, welcher angezeigt wird, summiert werden, dieselbe Wirkung und derselbe Vorteil wie diejenigen beim zweiten Ausführungsbeispiel erwartet.
Die Fig. 56(a) und (b) zeigen mehrere Beispiele einer mehrfachen komplementären Folge, und die Erfinder fanden weitere Beispiele, die andere sind als die in den Fig. 56(a) und (b) gezeigten. Z. B. wurde gefunden, daß in dem Fall einer mehrfachen komplementären Folge mit vier Folgen die folgenden Kombinationen für verschiedene Längen (n) verfügbar sind.

n Anzahl von Kombinationen

2 1
3 1
7 34
8 56
9 477
Der Ausdruck "Kombination" ist derselbe wie der in den Fig. 56(a) und (b) verwendete. Weiterhin wird die Anzahl unter der Voraussetzung gezählt, daß, wenn eine Folge, in welcher die Vorzeichen von Komponenten umgekehrt sind, eine Reihenfolge von Komponenten invertiert ist und/oder die Komponenten sowohl umgekehrt als auch invertiert sind, als dieselbe wie das Original betrachtet und nicht als zusätzliches Beispiels gezählt wird. Dasselbe Prinzip wird in der folgenden Beschreibung angewendet.
Für eine mehrfache komplementäre Folge mit sechs Folgen ist die folgende Tabelle gegeben.

n Anzahl der Kombinationen

2 1
6 48
Es wurde auch gefunden, daß keine mehrfache komplementäre Folge mit sechs Folgen vorhanden ist, wenn die Längen = 3, 5 oder 7 ist.
Für mehrfache komplementäre Folge mit acht Folgen werden die folgenden Kombinationen gefunden.

n Anzahl der Kombinationen

2 1
3 1
4 5
5 35
6 517
Wenn eine mehrfache Folge mit vier Folgen mit jeweils einer Länge "n" ausgedrückt wird durch:
{a&sub0;, a&sub1;, ..., an-1},
{b&sub0;, b&sub1;, ..., bn-1},
{c&sub0;, c&sub1;, ..., cn-1},
{d&sub0;, d&sub1;, ..., dn-1},
dann werden
{a&sub0;, b&sub0;, a&sub1;, ..... an-1, bn-1},
{a&sub0;, -b&sub0;, a&sub1;, ... an-1, -bn-1},
{c&sub0;, d&sub0;, c&sub1;, ..... Cn-1, dn-1},
{c&sub0;, -d&sub0;, c&sub1;, ... Cn-1, -dn-1},
eine mehrfache komplementäre Folge mit einer Länge "2n". In gleicher Weise kann eine neue mehrfache komplementäre Folge mit einer doppelten Länge aus einer mehrfachen komplementären Folge mit mehr als sechs Folgen erzeugt werden.
Vorstehend wurde ein System für die Amplitudenkodierung von Sendesignalen durch Verwendung einer mehrfachen komplementären Folge erläutert; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein derartiges System begrenzt und sie ist auch anwendbar auf ein System zur Phasenkodierung von Sendesignalen.
Fig. 57 ist ein Blockschaltbild, welches eine andere erläuternd Konstruktion zeigt.
In Fig. 57 ist der Generator 305B für ein phasenkodiertes Sendesignal, mit der Ultraschallsonde 301 und dem Korrelator 310A verbunden ist.
Die Arbeitsweise in Fig. 57 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 58(a), (b), (c) und (d) erläutert.
Die Fig. 58(a), (b), (c) und (d) zeigen Wellenformen von Sendesignalen, die von dem Generator 305B für phasenkodierte Sendesignale erzeugt wurden.
In den Fig. 58(a), (b), (c) und (d) ist das Sendesignal in seiner Phase kodiert durch Verwendung derselben vier Folgen wie vorstehend. Um das Verständnis der Beziehung zwischen den vier Folgen und dem Kodieren der Sendesignale zu erleichtern, sind Vorzeichen von Folgen in die Zeichnungen eingefügt.
Das Verfahren der Phasenkodierung wurde in Verbindung mit Fig. 15 erläutert.
Fig. 59 zeigt eine andere erläuternde Konstruktion in einem Blockschaltbild, und alle Komponenten mit Ausnahme eines Bezugssignalgenerators 312 sind dieselben wie diejenigen in Fig. 44.
In Fig. 59 ist der Bezugssignalgenerator 312 mit seiner Eingangsseite mit dem Generator 305A für amplitudenkodierte Sendesignale und mit seiner Ausgangsseite mit dem Korrelator 310A verbunden.
Der Bezugssignalgenerator 312 dient als ein Filter mit einer zusammengesetzten Frequenzantwortcharakteristik sowohl beim Senden als auch beim Empfangen, und er erzeugt Bezugssignale, die für die Korrelationsoperation bei den Echos zu verwenden sind.
Es wird wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erwartet, daß eine weitere Verbesserung mit Bezug auf den Rauschabstand verfügbar ist im Vergleich mit dem System, bei welchem das Echo einer Korrelationsverarbeitung mit dem Sendesignal unterzogen wird. Der Grund wird nachfolgend erläutert. Da die Bandbreite der Ultraschallsonde 301 endlich ist, beeinträchtigt die Filterfunktion der Sonde 301 die Signale zur Zeit des Sendens und Empfangens, und daher sind die Wellenformen des Sendesignals und des Echos nicht einander angepasst. Jedoch wird bei dem achten Ausführungsbeispiel das Bezugssignal, das dieselbe Wellenform wie die des Echos hat, von dem Bezugssignalgenerator 312 erzeugt, und es wird für die Durchführung einer Korrelationsoperation bei dem Echo verwendet. Dies entspricht einer Signalverarbeitung, bei der das Echo durch ein angepasstes Filter hindurchgegangen ist und das angepasste Filter den Vorteil bietet, daß ein im Rauschen vergrabenes gewünschtes Signal mit dem maximalen Rauschabstand empfangen werden kann.
Wenn die Ultraschallwelle, die sich innerhalb des Prüflings 5 fortpflanzt, Frequenzcharakteristiken begleitet, kann eine Filterfunktion aufgrund derartiger Charakteristiken die Signale gleichzeitig beeinträchtigen. In einem solchen Fall wie dem obigen kann der Bezugssignalgenerator 312 durch ein Filter ersetzt werden, das die Frequenzcharakteristiken der zusammengesetzten Frequenzantwortcharakteristiken der Sonde 301 sowohl beim Senden als auch beim Empfangen und die Frequenzcharakteristiken des Prüflings S hat.
In Fig. 60 ist eine andere Konstruktion so ausgebildet, daß es den Bezugssignalgenerator 312 aufweist, der an seiner Eingangsseite mit dem Generator 305B für phasenkodierte Sendesignale und auf der Ausgangsseite mit dem Korrelator 310A verbunden ist.
In Fig. 61 ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß es die Sendeultraschallsonde 301A, die an ihrer Eingangsseite mit dem Generator 305B für phasenkodierte Sendesignale verbunden ist, und die Empfangsultraschallsonde 301B, die auf ihrer Ausgangsseite mit dem Korrelator 310A verbunden ist, aufweist.
Eine zusammengesetzte Frequenzcharakteristik wird als die Frequenzantwortcharakteristik der Bezugssignalgenerators 312 verwendet, wobei die zusammengesetzte Frequenzcharakteristik die Frequenzantwortcharakteristik der Ultraschallsonde 301A, die sie zur Zeit des Sendens zeigt, und die Frequenzantwortcharakteristik der Empfangsultraschallsonde 301B, die sie zur Zeit des Empfangs zeigt, aufweist.
Es ist natürlich möglich, die Sendeultraschallsonde 301A und Empfangsultraschallsonde 301B bei den obigen Konstruktionen anzuwenden.
In den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen wurde der Fall geschildert, in welchem die Ultraschallsonde in Kontakt mit dem Prüfling ist. Jedoch kann die Übertragung der Ultraschallwellen zwischen der Sonde und dem Prüfling über ein geeignetes Medium wie Wasser erfolgen. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auf ein Sender/Empfänger-System eines unabhängigen Elements angewendet werden, das eine Ultraschallsonde vom Feldtyp bildet.
Vorstehend erfolgte eine Erläuterung mit Bezug auf die Erfassung einer Fehlstelle oder von Fehlstellen in dem Prüfling; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen derartigen Einsatz beschränkt, sondern sie ist auch für andere Zwecke wie eine Diagnose und medizinische Anwendungen usw. anwendbar.
Auch wurden Ausführungsbeispiele, welche Ultraschallwellen verwenden, erläutert. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von Ultraschallwellen beschränkt, sondern sie ist anwendbar für die Verwendung anderer Wellen wie elektrischer Wellen oder Mikrowellen.

Claims

1. Detektionsgerät, welches aufweist:

eine Folgenerzeugungsvorrichtung (203) zum Erzeugen einer Vielzahl von Folgen;

eine Übertragungssignal-Erzeugungsvorrichtung (204) zum Erzeugen von Übertragungssignalen jeweils entsprechend den Folgen;

eine Sendevorrichtung (202) zum Aussenden von Wellen zu einem Gegenstand durch die Übertragungssignale;

eine Empfangsvorrichtung (206) zum Empfang von Echos entsprechend den Übertragungssignalen;

eine Korrelationsoperationsvorrichtung (208) zum Durchführen von Korrelationsoperationen mit Bezug auf die Echos;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Folgenerzeugungsvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie zwei oder mehr Folgen liefert, wobei jede der Folgen unterschiedlich gegenüber den anderen ist und im Wesentlichen dieselbe Autokorrelationsfunktion wie die anderen hat, und die Korrelationsoperationsvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Korrelationsoperation des Echos in dem gegenwärtigen Zyklus und eines Bezugssignals, welches die Folge verwendet, die zur Erzeugung des Übertragungssignals in dem gegenwärtigen Zyklus eingesetzt wird, durchführt.

2. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgen endliche binäre Folgen sind.

3. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Übertragungssignale eine Wellenform hat, die im Wesentlichen sinusförmige Abschnitte oder im Wesentlichen rechteckige Abschnitte aufweist.

4. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Übertragungssignale eine Wellenform hat, welche erhalten wurde durch Anordnen eines Wellenformabschnitts enthaltend eine Frequenzkomponente f&sub0; entlang einer Zeitachse entsprechend einer Auftrittsreihenfolge des Pluszeichens und Minuszeichens in der entsprechenden Folge und entsprechend einer Regel der Änderung der Phasen um 180º in den Wellenformabschnitten entsprechend den Minuszeichen im Vergleich zu den anderen Wellenformabschnitten entsprechend den Pluszeichen.

5. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenform von jedem der Übertragungssignale eine phasenkodierte oder amplitudenkodierte Wellenform durch Verwendung der entsprechenden Folge ist.

6. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsoperationen in der Korrelationsoperationsvorrichtung (208) zwischen den Echos bzw. den Echos entsprechenden Bezugssignalen durchgeführt werden.

7. Detektionsgerät nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssignale die jeweils den Echos entsprechenden Übertragungssignale sind.

8. Detektionsgerät nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssignale auf die jeweiligen Übertragungssignale bezogene Echos von der Oberfläche oder dem Boden des Gegenstandes sind.

9. Detektionsgerät nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Bezugssignale berechnet ist auf der Grundlage jeder Frequenzansprechcharakteristik von Signalpfaden und jedes der Übertragungssignale, wobei jeder der Signalpfade ein Pfad von einem Ausgangsbereich von jeder der Übertragungssignal- Erzeugungsvorrichtungen (204) durch die Sendevorrichtung (202) und den Gegenstand zu einem Eingangsbereich der Korrelationsoperationsvorrichtung (208) ist.

10. Detektionsgerät nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Bezugssignale ein Echo von einem Bereich eines Versuchsgegenstandes ist, wenn Wellen von jeder der Sendevorrichtungen (202) durch jedes der Übertragungssignale zu dem Versuchsgegenstand übertragen werden.

11. Detektionsgerät nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Bezugssignale ein Signal ist, welches eine Wellenform ähnlich der von jedem der Echos hat.

12. Detektionsgerät nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Frequenzansprechcharakteristiken Frequenzcharakteristiken bezogen auf die Reflexion eines Reflexionskörpers in dem Gegenstand enthält.

13. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Korrelationsoperationen mit Bezug auf jedes der Echos durchgeführt wird.

14. Detektionsgerät nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Korrelationsoperationen eine Korrelationsoperation zwischen jedem einer Vielzahl von Bezugssignalen und jedem der Echos ist und eine Wellenform von jedem der Bezugssignale gegenüber den Wellenformen der anderen Bezugssignale unterschiedlich ist.

15. Detektionsgerät nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzkomponente f&sub0; bestimmt ist durch Frequenzcharakteristiken der Sendevorrichtung (202), Frequenzcharakteristiken des Gegenstandes und Frequenzcharakteristiken der Empfangsvorrichtung (206), wodurch ein Rauschabstand maximiert wird.

16. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittenfrequenz von jedem der Übertragungssignale bestimmt ist durch Frequenzcharakteristiken der Sendevorrichtung (202), Frequenzcharakteristiken des Gegenstandes und Frequenzcharakteristiken der Empfangsvorrichtung (206, 301), wodurch ein Rauschabstand maximiert wird.

17. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgenerzeugungsvorrichtung (203) durch mehrere unabhängige Generatoren oder durch einen einzigen gemeinsamen Generator gebildet wird.

18. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungssignal- Erzeugungsvorrichtung (204) durch mehrere unabhängige Generatoren oder durch einen einzigen gemeinsamen Generator gebildet wird.

19. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (202) durch mehrere unabhängige Sender oder durch einen einzelnen Sender gebildet wird.

20. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Empfangsvorrichtung (206) durch mehrere unabhängige Empfänger oder durch einen einzelnen Empfänger gebildet wird.

21. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsoperationsvorrichtung (208) durch mehrere unabhängige Korrelatoren oder durch einen einzelnen gemeinsamen Korrelator gebildet wird.

22. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (202) und die Empfangsvorrichtung (206) durch eine einzelne gemeinsame Sende/Empfangs-Vorrichtung gebildet sind.

23. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß von der Sendevorrichtung (202) zu dem Gegenstand ausgesandte Wellen Ultraschallwellen sind.

24. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Autokorrelationsfunktion eine im Wesentlichen scharfe Hauptkeule besitzt.