JPH0540106A - 超音波測定法及びその測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、低ノイズのバーストパルスを得る
ことにより、被測定対象からＳ／Ｎの良好なエコー信号
を得ることにある。 【構成】 信号発生手段１Ｆ，２から発生された所定の
周波数信号を分配器３で分配し、その分配された一方の
周波数信号を第１の広帯域増幅器４でほぼ中間レベルま
で増幅し、高速スイッチ１６に供給する。前記分配され
た他方の周波数信号は位相調整回路１１および波数セッ
ト回路１２等をもつバースト波抽出処理手段１０によっ
て変調ゲート信号を生成し、この変調ゲート信号を高速
スイッチ１６に導入することにより、所定波数をもった
中間レベルのバーストパルスを取り出した後、第２の低
ノイズ広帯域増幅器６で最終的に増幅し、得られたバー
ストパルスを用いて探触子７を励振する構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パルスエコー法を用い
た例えば超音波試験器，超音波探傷器，超音波厚み計及
び超音波診断装置などに利用される超音波測定装置に係
わり、特に低ノイズで高出力のトーンバーストパルス信
号を生成して超音波測定用素子（以下、探触子と指称す
る）を励起する超音波測定法及びその測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種の測定装置は、パルス発
生器から高出力電圧の励振用パルス信号を発生して振動
子内蔵形探触子を励起することにより探触子から被測定
材料内に超音波送信パルスを放射し、そのとき被測定材
料より得られるエコー信号に基づいて被測定材料の種々
の特性、欠陥状態等々を把握する構成をとっている。と
ころで、従来、探触子を励起するための励振用パルス信
号を得る手段として、幾つかの方法が考えられている。

【０００３】従来から最も簡単で一般的に使用されてい
る方法は、パルス発生器として充放電回路を用い、この
充放電回路の充放電動作を利用しながらパルス状の励振
用信号を得る方法である。この方法によって得られた励
振用信号を用いて探触子を励起すると、当該探触子から
図３に示すようなインパルス状の超音波送信パルスが得
られる。

【０００４】この探触子は、チタン酸鉛、ニオブ酸系の
振動子の背面側にダンパを接着し、かつ、前面側に保護
板を接着したものを用いているので、これら各部材の音
響インピーダンスと厚さを調整することにより振動波形
と感度を決定している。また、励振用信号による駆動に
よって振動子が振動するが、この振動のリンギングが長
いものは動作周波数帯域が狭いので狭帯域形と呼ばれ、
一方、振動のリンギングが特に短いものは広帯域形と呼
ばれている。そのうち、特に広帯域形探触子は、そのエ
コー信号の幅が小さくシャープな波形となり、分解能に
も優れていることから現在広く用いられているが、被測
定材料の超音波減衰が大きい場合には振動子の公称周波
数より低い周波数のエコー信号が得られ、特に定量的な
測定の場合には大きな誤差が生じたり、同種の探触子間
における測定結果のばらつきが大きいことが問題とされ
ている。

【０００５】そこで、充放電回路を用いたときの周波数
偏移および同種探触子間の測定結果のばらつきを低く押
さえる観点から、実験，検討を積み重ねながら次のよう
な種々のバーストパルスによる励振法を考えるに至っ
た。

【０００６】その１つは、ゲート発振方式を用いて図４
に示す如く所定幅のバーストパルス信号を得るととも
に、このバーストパルス信号を用いて探触子を励振する
方法であり、

【０００７】他の１つは、図５に示すように所定周波数
のバーストパルスを発生する市販の関数発生器１０１
と、この関数発生器１０１からのバーストパルスを高利
得で一気に増幅する広帯域電力増幅器１０２とを組合せ
ることにより、高出力電圧のバーストパルス信号を取り
出して探触子を励起する方法である。その他、以上のよ
うなバーストパルス信号を用いたものとしては、特開昭
５５−７６０５号公報および特開昭６２−１８０２６７
号公報がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、以上のような
バーストパルス信号による励振法のうち前者の図４の方
法はパルス信号の立上がりが不明瞭であるので、測定誤
差が大きくなり、測定精度の面からも問題が多い。一
方、後者の図５の方法は関数発生器１０１から発生され
たバーストパルスを広帯域増幅器１０２で一気に４０ｄ
Ｂ以上増幅して高出力のバーストパルス信号を得ること
から、関数発生器１０１内によって生じたノイズも同時
に増幅され、そのエコー信号のＳ／Ｎの低下によって実
用に供し得ないものである。

【０００９】さらに、超音波試験器では、送信と受信を
１個の探触子で行う一探触子法が用いられているが、こ
の方法の場合には図６に示すごとく送信器１０３から送
信されたパルスは探触子１０５を介して超音波送信パル
スとして被試験材料に放射され、また被試験材料から返
ってくる超音波のエコー信号は同じく探触子１０５を介
して電気信号に変換された後、増幅機能をもった受信器
１０４によって受信するものである。

【００１０】しかしながら、この一探触子法は、送信器
１０３の出力端と受信器１０４の入力端とが直接接続さ
れているので、受信器１０４には被試験材料からのエコ
ー信号だけでなく、送信器１０３から発生するノイズも
同時に受信して増幅することになる。特に、受信器１０
４内の高周波増幅器は通常８０ｄＢのゲインをもち、そ
の増幅器自体の内部ノイズは数ＭＨｚ以内の帯域幅をも
つものでは入力換算でおよそ５０〜１５０μＶ_P-P レベ
ルであり、また広帯域のものでは１００〜２００μＶ
_P-P レベル程度である。その結果、送信器１０３から発
生するノイズが前記レベルを越えたとき、超音波試験器
の表示器（ブラウン管またはオシロスコープ）上の探傷
図形は非常にＳ／Ｎの悪い像となる。このことは、送信
器１０３はバーストパルス信号を出力した後、オフ時間
中に５０μＶ_P-P を越えるノイズを出してはならないこ
とを意味する。

【００１１】しかし、実際上、送信器１０３を構成する
波形合成回路において、発生ノイズの規定がないデジタ
ルＩＣ（集積回路）を用いたときには、１０ｍＶ_P-P の
ノイズが発生し、さらにこれが電力増幅されて送信器１
０３側からは約１Ｖ_P-P 以上のノイズ電圧を生ずること
になり、到底実用に供し得ないものである。

【００１２】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、従来とは異なる増幅法を用いて無理のない状態で適
正に増幅し、低ノイズのトーンバーストパルス信号を得
る超音波測定方法を提供することを目的とする。

【００１３】さらに、本発明の他の目的は、増幅器を２
段構成とし、ノイズの発生メカニズムを考慮しながら前
段の増幅器でノイズの発生を踏まえて中間レベルの増幅
を行い、後段の増幅器では完全にバースト化した後高出
力の増幅を行うことにより、バーストパルス信号前後の
ノイズを確実に除去し、かつ、全体的にもノイズの低減
化を図り、この低ノイズのバーストパルス信号により探
触子を励起することによりＳ／Ｎの良好なエコー信号を
得、ひいては高精度に試験ないし探傷可能とする超音波
測定装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】先ず、請求項１に対応す
る発明は上記課題を解決するために、信号発生器から発
生された所定周波数の正弦波信号を中間レベル増幅およ
び所望波数のバーストパルス抽出処理を行い、この抽出
処理によって得られたバーストパルスを所望の出力レベ
ルまで増幅した後、この増幅後のバーストパルス信号を
励振信号として超音波測定用素子に印加する超音波測定
法である。

【００１５】次に、請求項２，３に対応する発明は、所
定周波数の正弦波信号を発生する信号発生手段およびこ
の信号発生手段によって発生された所定周波数の正弦波
信号を中間レベルまで増幅する第１の広帯域増幅器を設
け、さらに第１の広帯域増幅器で増幅された中間レベル
信号を矩形波変調ゲート信号に基づいて所望波数のバー
ストパルスを抽出するバーストパルス抽出処理手段、こ
の抽出処理手段によって抽出されたバースト波信号を所
望の出力レベルまで増幅する第２の広帯域増幅手段を設
けることにより、この第２の広帯域増幅手段から高出力
で低ノイズのトーンバーストパルス信号を得、超音波測
定用素子に印加する超音波測定装置である。

【００１６】

【作用】従って、請求項１に対応する発明は以上のよう
な手段を講じたことにより、従来方法とは異なる２段増
幅法を採用し、そのうち前段側では所定周波数の正弦波
信号を中間レベルまで増幅し、かつ、後段側では正弦波
信号をバーストパルス化した後所望の出力レベルまで増
幅することにより、無理のない状態で高出力，低ノイズ
のトーンバーストパルス信号を得ることができる。

【００１７】次に、請求項２，３に対応する発明は、増
幅器を２段構成とし、そのうち前段増幅器では連続的な
所定周波数の正弦波信号を中間レベルまで増幅し、さら
にかかる前段増幅器と後段増幅器との間にバーストパル
ス抽出処理手段を設け、このバーストパルス抽出処理手
段にて中間レベル信号を矩形波変調ゲート信号に基づい
て所望波数のバーストパルスを抽出する。従って、この
抽出された所望波数のバーストパルスはそのバースト波
前後の波のない部分にはノイズが存在しない。

【００１８】さらに、この所望波数のバーストパルスを
後段の増幅器にて、所望の出力レベルまで増幅するの
で、全体として低ノイズのトーンバーストパルス信号を
得ることができ、このトーンバーストパルス信号を用い
て探触子の励振信号とすればＳ／Ｎの良好なエコー信号
を得ることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明方法の実施例について説明す
る。

【００２０】この種の超音波試験ないし探傷に際し、ト
ーンバーストパルス信号を用いて探触子を励起し超音波
送信パルスを送信するが、被試験材料ないし被探傷材料
から適切なエコー信号を得るためには送信周波数、波数
および出力レベルが重要なパラメータとなる。従って、
これらのパラメータを考慮しつつノイズの低減化を図る
ことが必要不可欠である。そこで、本発明者等は、種々
の実験，検討を重ねた結果、次のような励振信号を用い
て探触子を励振すれば、高精度な測定が可能であること
を見出だした。

【００２１】先ず、信号発生器からパラメータの１つで
ある連続的な所定周波数の正弦波信号例えば超音波試験
に用いる場合には例えば１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚを越える
周波数の正弦波信号を発生する。しかる後、この周波数
の正弦波信号をノイズの発生を考慮しつつ適宜な中間レ
ベルまで増幅する。従って、この段階では信号発生器か
ら発生したノイズは未だカットされていないが、その信
号波形を適正に判断できる状態となっている。

【００２２】次に、この信号波形の中から次のパラメー
タである所望の波数だけ抽出するが、このとき信号波形
の立上りのゼロクロス点をとらえて所望波数に相当する
時間幅のゲートパルス信号を作成し、前記信号波形の中
から所望の波数だけ抽出する。ゆえに、抽出信号波形は
バーストパルスとして生成され、しかもバーストパルス
の前後の波の無い部分には何らノイズが存在しなくな
る。従って、このノイズの無いバーストパルスを最後の
パラメータである所望の出力レベルまで増幅すれば、高
出力でノイズのないバーストパルス信号，つまり励振信
号を得ることができる。

【００２３】そこで、この励振信号を用いて超音波測定
用素子である探触子を励振すれば、探触子から高出力で
ノイズの無い超音波送信パルスを被試験材料ないし被探
傷材料に送出でき、かつ、これら被試験材料ないし被探
傷材料からは常にＳ／Ｎの良好なシャープなエコー信号
を受信でき、ひいては精度の高い試験，探傷を行うこと
が可能である。

【００２４】次に、以上のような測定原理の下に実現さ
れた超音波測定装置について、図１を参照しながら説明
する。同図において１ＦはＣＰＵ制御またはマニュアル
にて任意の周波数を設定可能な周波数設定部であって、
この周波数設定部１ＦとＰＬＬ方式の発振器２とで連続
的な所定周波数の低レベル正弦波信号を発生する。ここ
で、ＰＬＬ方式発振器２を用いた理由は歪みの少ない正
弦波の信号を得ること、ひいては周波数精度の高いバー
ストパルス信号を得るためであるが、その適用分野ない
しは要求精度等から種々の発振器２を用いることが可能
であることは言うまでもない。また、周波数設定部１Ｆ
で設定すべき周波数は、例えば超音波試験器に用いる場
合には例えば１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚを越える周波数とす
るが、その目的，用途等に基づいて適宜な周波数を設定
できるものである。

【００２５】３は発振器２から発生された所定周波数の
正弦波信号を分配する分配器であって、その分配された
一方の正弦波信号は中間レベルまで増幅する第１の広帯
域増幅器４に送られ、また分配された他方の正弦波信号
は所望波数のバーストパルスを抽出するバースト波抽出
処理手段１０に送られる。

【００２６】このバースト波抽出処理手段１０は、所定
周波数の正弦波信号のゼロクロス点に合うようにトリガ
用信号を出力する位相調整回路１１、位相合せ後に波数
設定部１Ｗで設定された波数に相当する時間幅信号を作
成する波数セット回路１２、この時間幅信号と同期信号
発生部１３の同期信号とのタイミング合せを行うタイミ
ング回路１４、このタイミング回路１４の出力を受けて
変調ゲート信号を出力するプレトリガ回路１５およびこ
のプレトリガ回路１５からの変調ゲート信号を用いて前
記第１の広帯域増幅器４から出力される中間レベル信号
を矩形波変調ゲート制御を行い、所望波数のバーストパ
ルスを得る高速スイッチ１６等によって構成されてい
る。

【００２７】５はバーストパルスを出力設定部１Ｌによ
って設定された出力レベルとなるように調整する出力調
整回路、６は出力調整されたバーストパルスを所望の高
出力電圧のバーストパルス信号を得るように最終的な増
幅を行う第２の低ノイズ広帯域高周波増幅器であり、こ
こで得られたバーストパルス信号は探触子７に励振信号
として与えられる。

【００２８】次に、以上のような超音波測定装置の動作
について説明する。先ず、周波数設定部１Ｆ、波数設定
部１Ｗおよび出力設定部１Ｌにそれぞれ試験，探傷に最
適とされる周波数、波数および出力レベルを設定する。

【００２９】以上のような状態において測定動作を開始
すると、ＰＬＬ方式発振器２から歪みの少ない正弦波信
号，つまり周波数設定部１Ｆで設定された所定周波数の
正弦波信号が発生し、さらに分配器３によって２つの正
弦波信号に分配され、その分配された一方の正弦波信号
は第１の広帯域増幅器４に送られ、また分配された他方
の正弦波信号は位相調整回路１１に送られる。ここで、
第１の広帯域増幅器４は分配器３から入力される正弦波
信号をノイズの発生を考慮しながら適宜な中間レベルま
で増幅する。なお、この段階では発振器２などの精度に
依存することから比較的に歪みの少ない正弦波信号を発
生し、かつ、そのままの状態で比較的低レベルの増幅を
行って高速スイッチ１６に導入する。

【００３０】一方、位相調整回路１１では、所定周波数
の正弦波信号のゼロクロス点となったときゲート開とす
るトリガ用信号を出力する位相合せを行った後、波数セ
ット回路１２にて位相合せ後のトリガ用信号を受けてゲ
ート開後に波数設定部１Ｗで設定された波数に相当する
時間幅の信号を作成し、後続のタイミング回路１４に入
力する。従って、このタイミング回路１４では、時間幅
の信号と同期信号発生部１３から発生する同期信号との
タイミング合せを行った後、プレトリガ回路１５から変
調ゲート信号として高速スイッチ１６に送出する。な
お、前記同期信号は探触子７から超音波送信パルスを被
試験材料に送り出すトリガとしての役割を有し一定周期
ごとに出力されている。

【００３１】従って、高速スイッチ１６では、中間レベ
ル信号を、前記プレトリガ回路１５からの変調ゲート信
号を用いて所定の波数だけ切り出してバーストパルスを
出力するので、このバーストパルス出力後のオフ時間に
存在するノイズがカットされ、かつ、位相調整によって
正弦波信号の立上りのゼロクロス点から所定の波数だけ
切り出すので、バーストパルスの前後でも明瞭な立上り
ないしは立下りを示すことになる。

【００３２】そして、高速スイッチ１６から出力された
中間レベルのバーストパルスは出力調整回路５にて出力
設定部１Ｌの設定レベルに調整された後、第２の低ノイ
ズ広帯域増幅器６に送られ、ここで最終的なレベルまで
増幅を行う。よって、この第２の低ノイズ広帯域増幅器
６からは図２に示す如く例えば５０Ωの出力インピーダ
ンスで高出力で低ノイズのバーストパルス信号を得るこ
とができる。

【００３３】従って、以上のような実施例の構成によれ
ば、増幅器を２段構成とし、そのうち前段の第１の広帯
域増幅器４では所定周波数の正弦波信号を中間レベルま
で増幅し、一方、位相調整回路等１１〜１６にて矩形波
変調ゲート信号を生成し、この矩形波変調ゲート信号を
用いて第１の広帯域増幅器４の出力である中間レベルの
正弦波信号から所望とする波数だけ切り出してバースト
パルスとするので、このバーストパルス出力後のオフ時
間中のノイズがカットされ、さらに所望の波数をもつバ
ーストパルスの立上り・立下りが明瞭なものとなる。さ
らに、このような状態のバーストパルスを第２の低ノイ
ズの広帯域増幅器６で最終レベルまで増幅するので、高
出力電圧の低ノイズバーストパルス信号を得ることがで
きる。従って、かかる高出力電圧のバーストパルス信号
を用いて探触子７を励起すれば、被試験材料または被探
傷材料からＳ／Ｎの良好なエコー信号を受信でき、試験
または探傷等の精度を十分に高めることができる。

【００３４】なお、上記実施例では、周波数設定部１
Ｆ、波数設定部１Ｗおよび出力設定部１Ｌはそれぞれ特
定の所望とする値に設定したが、被測定材料の超音波特
性に応じて周波数設定部１Ｆの周波数を任意に設定で
き、また分解能を考慮し、かつ、被測定材料の長さ、反
射率等に応じてエコーの強度を調整する観点から波数設
定部１Ｗの波数を任意に設定でき、さらに被測定材料に
放射する超音波の強度を出力設定部１Ｌによって任意に
設定できる。また、分配器３で分配後に第１の広帯域増
幅器４を用いて中間レベルまで増幅したが、この第１の
広帯域増幅器４にて中間レベルまで増幅した後、分配器
３で分配する構成でもよい。また、所定の周波数発生手
段としてＰＬＬ方式の発振器２を用いたが、このような
発振器に限らないことは言うまでもない。さらに、上記
実施例ではハード的な構成で説明したが、その大部分は
容易にソフトウェア的な構成で実現できるものである。
その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施できる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような種々の効果を奏する。先ず、請求項１では、従
来とは異なる増幅法を用いて無理のない状態で増幅する
ことにより、低ノイズのバーストパルス信号を得ること
ができる。

【００３６】さらに、請求項２，３においては、増幅器
を２段構成とし、第１の広帯域増幅器では所定周波数の
正弦波信号を中間レベルまで増幅し、この中間レベルの
正弦波信号を所望の波数としたバーストパルスを第２の
低ノイズ広帯域増幅器で増幅するので、バーストパルス
出力後のオフ時間のノイズを除去でき、バーストパルス
の前後の立上り・立下り波形を明瞭化でき、バーストパ
ルス信号全体のノイズを大幅に低減化できる。従って、
高出力・低ノイズのトーンバーストパルス信号を用いて
探触子を励振すれば、シャープなエコー信号が得られ、
試験ないし探傷精度を大幅に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わる超音波測定装置の一実施例を
示す構成図。

【図２】 本発明方法および本発明によって得られたバ
ーストパルスの波形図。

【図３】 従来、一般的に広く用いられている試験、探
傷時の探傷子からの送信出力パルスの波形図。

【図４】 従来の発振式バーストパルスの出力波形図。

【図５】 従来の市販品を用いて実現された装置の構成
図。

【図６】 従来の送信および受信を１の探触子を用いて
行う一探触子法の構成図。

【符号の説明】

１Ｆ…周波数設定部、１Ｗ…波数設定部、１Ｌ…出力設
定部、２…発振器、３…分配器、４…第１の広帯域増幅
器、５…出力調整回路、６…第２の低ノイズ広帯域増幅
器、７…探触子、１０…バースト波抽出処理手段、１１
…位相調整回路、１２…波数セット回路、１３…同期信
号発生部、１４…タイミング回路、１５…プレトリガ回
路、１６…高速スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田辺 英也 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 牛山 昭生 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 西藤 勝之 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 西海 秀夫 神奈川県川崎市中原区上新城二丁目６番31 号 株式会社帝通電子研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 信号発生器から発生された所定周波数の
   正弦波信号を中間レベル増幅および所望波数のバースト
   パルス抽出処理を行い、この抽出処理によって得られた
   バーストパルスを所望の出力レベルまで増幅した後、こ
   の増幅後のバーストパルス信号を励振信号として超音波
   測定用素子に印加することを特徴とする超音波測定法。
2. 【請求項２】 励振信号を印加して超音波測定用素子か
   ら被測定材料に超音波送信パルスを放射し、この被測定
   材料の音響特性や欠陥の探傷等を行う超音波測定装置に
   おいて、 所定周波数の正弦波信号を発生する信号発生手段と、こ
   の信号発生手段によって発生された所定周波数の正弦波
   信号を中間レベルまで増幅する第１の広帯域増幅器と、
   この第１の広帯域増幅器で増幅された中間レベル信号か
   ら矩形波変調ゲート信号を用いて所望波数のバーストパ
   ルスを抽出するバーストパルス抽出処理手段と、この抽
   出処理手段によって抽出されたバーストパルスを所望の
   出力レベルまで増幅する第２の広帯域増幅手段とを備
   え、 この第２の広帯域増幅手段から出力された低ノイズのバ
   ーストパルス信号を前記励振信号として超音波測定用素
   子に印加することを特徴とする超音波測定装置。
3. 【請求項３】 バーストパルス抽出処理手段は、前記信
   号発生手段から発生された正弦波信号の立上りのゼロク
   ロス点に合せてトリガ用信号を出力する位相調整回路
   と、この位相調整回路から送られてくるトリガ用信号を
   受けて所望の波数に相当する時間幅の信号を出力する波
   数セット手段と、この波数セット手段からの時間幅の信
   号を矩形波変調ゲート信号として用いて、前記中間レベ
   ル信号から所望波数のバーストパルスを抽出するスイッ
   チング手段とを備えたことを特徴とする請求項２記載の
   超音波測定装置。