JPS6217195B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は集束音響体積波走査ビームを生じる装
置及びその音響体積波を電気的信号に変換する装
置に関する。これは音響体積波によつて目標を走
査し且つその目標のイメージを記録するために使
用可能である。例えば、或る物体内の欠陥点を非
破壊的に検出すること、人間の体内の器官の可視
的イメージを生じること、水中の物体のイメージ
を生じること（ソナー）等の用途が考えられる。

従来の音響走査システムの欠点は非常に高い周
波数で動作しえないということである。非常に高
い周波数（非常に短い波長）を用いることが望ま
しいのは、理論的に達成可能な最小の音響走査ビ
ームの断面積が波長に比例していることによる。
そして、この断面積によつて解像度が制限される
のである。

米国特許第4011747号は固体媒体の表面に沿つ
てチヤープ（chirp）音響表面波を発射し、伝播
するこの音響表面波を表面上の音響的回折格子に
よつて散乱させて音響体積波にすることを示して
いる。音響体積波はチヤープ特性に基いて自動的
に焦点に集束させられ、且つ音響体積波が伝播す
る速度とほぼ同じ速度で走査を行う。

この従来の装置の欠点は、音響表面波が回折格
子を横切つて伝播するにつれて、その振幅が次第
に減少し、従つて、走査中に音響体積波の振幅も
減少する。理論上、次第に深さを増す複数の溝を
有する回折格子を用いることにより、この現象を
補償することができる。しかしながら、この様な
回折格子を製造するのは非常に難しく且つ費用が
かかる。

もう１つの欠点は、高い周波数の音響表面波の
発生を効率よく行うと共に伝播損失を少なくする
ことを可能ならしめる固体媒体として用いること
のできる材料の望ましくない特性のために、装置
の高周波パホーマンスが低くされるということで
ある。固体媒体として用いられる材料は圧電性材
料である。都合の悪いことには、これは異方性を
有するので、音響体積波を集束させる作用が弱い
のである。高い周波数を用いる主な理由は音響体
積波ビームの断面積を減じることであるから、集
束性が弱いということは、断面積を減じるという
効果を弱めることになる。

又、圧電体における音響表面波の伝播速度は非
圧電体における伝播速度より相当速い。他の条件
が同じであるとすると、この性質により、音響走
査ビームの最小寸法は幾分大になる。これを補償
するには、周波数を更に高くすることが必要にな
る。ビームの走査速度は音響表面波の伝播速度に
ほぼ等しいので、伝播速度が高いと、関連する電
気的構成要素のパホーマンスに関する要件も一層
厳しくなる。

圧電体を用いた従来の装置には、インピーダン
ス整合に関する欠点もある。音響体積波ビームは
目標に達するために圧電体から出ていかなければ
ならない。その際、圧電体の音響特性インピーダ
ンスが非常に高いので、複数の特別なインピーダ
ンス整合層を設けないと、圧電体の界面において
大きな振幅損失及び反射が起こるのである。

音響表面波の伝播特性は媒体の界面状態による
影響を受けやすい。従つて、従来の装置における
回折格子の表面は汚染されてはならず、又、他の
異質の物体に接触する様に設置されてはならな
い。これも１つの欠点である。

本発明の目的は従来技術の欠点を克服して集束
音響体積波を生じる装置を提供することである。

本発明の具体的な目的は高い周波数の集束音響
体積波を生じることである。

本発明の更に他の具体的な目的は深さの一様な
音響的回折格子を用い、走査中の集束音響体積波
の振幅に関する損失を少なくした態様で集束音響
体積波走査ビームを生じることである。

本発明の更に他の具体的な目的は圧電体その他
の異方性媒体を用いずに非常に高い周波数の集束
音響体積波走査ビームを生じることである。

本発明の更に他の具体的な目的は集束音響体積
波走査ビームを効率良く生じ、それを効率良く伝
播させ、且つそれを水等の液体媒体へ効率良く伝
達することである。

本発明の更に他の具体的な目的は音響表面波及
びそれに作用する型の回折格子を使用しないこと
により、装置の表面の汚染及び接触禁止の要件を
なくすことである。

本発明に従つて、回折格子においてすれすれの
入射角（grazing incidence）で入射する音響体
積波を散乱させることにより、自動的に走査する
音響体積波が得られる。具体的に言えば、音響体
積波変換器から伝播媒体内に発射されるチヤープ
音響体積波は、障害物の配列から成る回折格子に
すれすれの入射角で入射する。回折格子によつて
散乱させられる音響体積波は集束してビームにな
り、チヤープ音響体積波の伝播速度に入射角の余
弦関数を掛けたものに等しい速度で走査を行う。
走査ビームは回折格子を通過する音響体積波又は
回折格子で反射される音響体積波によつて形成さ
れる。

走査ビームを受ける物体から発散する音響体積
波をチヤープ音響体積波に変換する様に同じ装置
を逆の態様で使用することもできる。その場合、
パルス圧縮フイルタがチヤープ音響体積波を物体
表示信号に変換する。

これから図面を参照しながら本発明の好適な実
施例について詳しく説明する。２つの図面におい
て、同等の構成要素には同じ参照番号がついてい
る。参照番号１０は本発明による音響走査装置の
全体を示すものである。これから後の説明から明
らかになる様に、音響走査装置１０は自動的にフ
イールドを走査する集束音響体積波を生じる発信
モード及びその逆に焦点から発散する音響体積波
を電気信号に変換する受信モードの両方の動作が
可能である。２つのモードの動作を順次行うこと
により物体のイメージを記録することができる。

第１図において、基体１８の面１６に装着され
ている音響体積波変換器１４は線１２における通
常のチヤープ・パルスによつて付勢される。変換
器１４は任意の型の音響体積波変換器でよい。基
体１８は動作周波数範囲内で音響体積波を効率良
く伝播させるために十分な弾性を有する任意の伝
播媒体でよい。基体１８は固体材料で造られなく
てもよい。変換器１４及び基体１８の好適な例
は、石英ガラス付着広帯域インジウム結合
LiNbO₃変換器及び石英ガラス基体である。線１
２のチヤープ・パルスはトリガー・パルス発生器
２２によつて制御されるチヤープ・パルス発生器
２０から発生する。どちらの装置も市販されてい
る通常のものでよい。

チヤープ・パルスは線形周波数変調を伴う一定
振幅で幅の狭いパルスである。変換器１４は線１
２の電気的チヤープ・パルスを音響体積波チヤー
プ・パルス（以後、音響チヤープ・パルスと略称
する）に変換する。後者は間隔が次第に変わる一
群のライン２４として図示されている。ライン間
の間隔の変化は電気的チヤープ・パルスに対応す
る音響体積波の波長の変化を表わしている。

変換器１４によつて発射される音響チヤープ・
パルスは基体１８の面１６に直角な方向へ伝播す
る。面１６は面２６に対して鋭角を成しているの
で、音響体積波パルスは、すれすれの入射角と呼
ばれるわずかな角度をもつて面２６を交わる。面
２６には、音響的回折格子２７を形成する複数の
障害物２８が設けられている。任意の回折格子が
使用可能である。例えば、図示の如く溝を設けた
り、適当な材料の条片を面２６に取り付けたりす
ることが考えられる。溝は種々の断面を有するも
のでよく、例えば、矩形又は３角形の断面を有す
る溝が用いられる。

音響チヤープ・パルスはすれすれの入射角αで
回折格子２７に入射するので、音響チヤープ・パ
ルスの空間的な広がりＴよりも広い範囲で回折格
子２７と交わる。任意の時点において、音響チヤ
ープ・パルスは回折格子２７の一部の領域の作用
を受ける。その作用領域は音響チヤープ・パルス
が右へ伝播するにつれて次第に変化する。第１図
は３つの音響チヤープ・パルスを示していると考
えてもよいし、１つの音響チヤープ・パルスを３
つの異なつた時点において示していると考えても
よい。図から分かる様に音響チヤープ・パルスが
右へ伝播するにつれて、音響チヤープ・パルスの
定常的に変化する部分が回折格子の作用を受け
る。従つて、音響チヤープ・パルスが回折格子の
作用を受ける部分の振幅は走査中ほぼ一定であ
る。

音響チヤープ・パルスは回折格子２７からコヒ
ーレントな態様で散乱する。第１図は散乱する音
響チヤープ・パルスのうち回折格子２７を通過す
るものによつて集束音響体積波を生ずる構成を示
している。一方、後で説明する第２図は散乱する
音響チヤープ・パルスのうち回折格子２７におい
て反射されるものによつて集束音響体積波を生じ
る構成を示している。大抵の回折格子は通過波及
び反射波の両方を生じる機能を有する。従つて、
回折格子の設計パラメータは、所望の強度を最大
にする様に定められる。

回折格子２７の格子定数Ｓは音響チヤープ・パ
ルスの中心波長又はその整数倍にほぼ等しい。回
折格子２７によつてそれを通過する様に散乱させ
られた音響体積波は、散乱を生じた作用領域の中
心の下の焦点に集束させられる。格子定数Ｓの増
減に応じて焦点は右又は左へ変位する。音響チヤ
ープ・パルスが右へ伝播するにつれて、集束音響
体積波も同様に移動する。基体１８内における音
響チヤープ・パルスの伝播速度をＶ_L、音響チヤ
ープ・パルスの中心周波数をf₀、すれすれの入射
角をαで表わしたとき、格子定数Ｓを下記の式に
従つて定めれば、集束音響体積波の焦点は、その
集束音響体積波を生じる様に音響チヤープ・パル
スに作用した回折格子の作用領域の中心の真下に
なる。

Ｓ＝Ｖ_Ｌ／ｆ_０ ｃｏｓα 回折格子から焦点までの距離ｈは次の式で示さ
れる。但し、Δｆは音響チヤープ・パルスの帯域
幅、V₀は回折格子の下の媒体（例えば水）にお
ける音響体積波の伝播速度、Ｗは回折格子のとこ
ろで測つた音響チヤープ・パルスの幅である。

ｈ＝（Ｖ_Ｌ／Ｖ_０ ｃｏｓα・ｆ_０／Δｆ）Ｗ 又、音響チヤープ・パルスの持続時間をΔｔと
すると、Ｗは次の式で示される。

Ｗ＝（Ｖ_LΔｔ）cosα これを上記ｈの式に代入すると次の様になる。

ｈ＝（Ｖ_Ｌ ^２ｆ_０／Ｖ_０）（Δｔ／Δｆ） この式から分かる様に、焦点距離ｈは音響チヤ
ープ・パルスのスロープΔｆ／Δｔに逆比例して
いる。集束音響体積波の焦点におけるスポツト・
サイズｗは次の式に従つて定められる。

ｗ＝Ｗ／ΔｆΔｔｃｏｓ^２α 第１図の装置においてトリガー・パルス発生器
２２が持続時間Δｔのパルスを生じるとき、走査
が開始される。チヤープ・パルス発生器２０はト
リガー・パルス発生器２２からのパルスに応じ
て、それと同じ持続時間を有し且つ予定の中心周
波数f₀及び帯域幅Δｆを有するチヤープ・パルス
を生じる。チヤープ・パルスは変換器１４によつ
て音響チヤープ・パルスに変換される。音響チヤ
ープ・パルスは基体１８内を伝播し、すれすれの
入射角で回折格子２７に入射し、散乱させられ
て、回折格子２７の下の焦点へ集束する音響体積
波になる。その焦点は焦平面３０に沿つてＶ＝Ｖ
_Lcosαの速度で移動する。

音響体積波によつて物体のイメージを得るため
には、今述べた音響体積波の発射に続いて、音響
体積波の検出を適当な同期関係をもつて行うこと
が必要である。発射された音響体積波が焦平面３
０において或る物体により変調されると仮定す
る。一般に、音響体積波は焦平面３０上の点を通
過したり、そこで反射されたりして、発散する。
反射された音響体積波（エコー）は回折格子２７
へ向かい、検出される。通過した音響体積波も後
で述べる様に検出可能である。

エコーとして戻つてくる音響体積波の一部は回
折格子２７の作用により基体１８内で変換器１４
へ向かつて伝播する復帰音響チヤープ・パルスに
変換させられる。なお、他の方向へ散乱させられ
る音響体積波の部分もあるが、それは変換器１４
に到達しないので、無視される。又、その様に他
の方向へ散乱させられる音響体積波の部分が更に
他の領域によつて反射されて変換器１４に到達す
ることがないように、基体１８の面１６及び２７
以外の全ての面に音響的な吸収性を持たせるよう
にしてもよい。これは発信モードにおいて望まし
くない反射を防ぐのにも有効である。変換器１４
は復帰音響チヤープ・パルスを電気的な復帰チヤ
ープ・パルスに変換して線１２に生じる。一方、
最初に音響チヤープ・パルスの発射のためにトリ
ガー・パルス発生器２２から出されたパルスは、
線１２に復帰チヤープ・パルスが現われるときゲ
ート３４を付勢できる様に適当な時間だけ遅延回
路３２によつて遅延させられる。復帰チヤープ・
パルスはゲート３４を介してパルス圧縮フイルタ
３４へ送られる。パルス圧縮フイルタ３４の出力
は記録装置３８において記録される。

パルス圧縮フイルタ３４は市販されているもの
でよく、周波数に応じて信号成分を遅延させるこ
とによつて復帰チヤープ・パルスを圧縮して１つ
の時点における非常に狭いパルスにする機能を有
する。遅延回路４０はパルス圧縮フイルタ３６に
おける遅延時間に対応する時間だけ記録装置３８
の付勢のための信号を遅らせる同期化手段として
用いられている。音響体積波が右へ移動するにつ
れて焦平面３０に沿う相次ぐ点からの反射に基く
復帰音響チヤープ・パルス、ひいては電気的な復
帰チヤープ・パルスが次々にパルス圧縮フイルタ
３４に到着し、それに応じた出力が記録装置に与
えられる。こうして、１つの音響チヤープ・パル
スの発射に応じたエコーにより、１行の物体イメ
ージが得られる。物体に関して音響走査装置１０
を機械的に動かす技法等の周知の技法に従つて、
物体を異なつた次元において走査することができ
る。

第２図のシステムの発信モードの動作は、回折
格子２７において反射される音響チヤープ・パル
スによつて集束音響体積波を生じる点を除いて第
１図の場合と同様である。焦平面３０は走査すべ
き物体に関連して示されている。第１図のシステ
ムは受信モードにおいて物体（図示せず）によつ
て反射される音響体積波を利用しているが、第２
図のシステムは物体を透過する音響体積波を利用
している。即ち、第２図のシステムでは、戻つて
くる音響体積波を回折格子２７によつて復帰音響
チヤープ・パルスに変換する技法は用いられてい
ない。その代り、物体を透過する音響体積波が音
響体積波変換器４４によつて電気信号に変換され
て記録装置３８において記録される。トリガー・
パルス発生器２２から発生したパルスは、遅延回
路３２による適当な遅延の後、記録装置３８を付
勢する。音響体積波変換器４４はＸ方向又はＹ方
向（図面に垂直な方向）に延びるストリツプ状の
１つの変換器又は複数の変換器のアレイである。
例えば、Ｘ方向に延びるストリツプ状変換器は焦
平面３０におけるＹ方向の特定の位置から来る音
響体積波だけを検出する。もちろん、Ｘ方向の複
数の位置から来る音響体積波は同時に処理され
る。

第１図の回折格子通過走査装置と第１２図の回
折格子反射型走査装置とは互いに置換可能であ
る。又、第１図のシステムにおいて、別個の走査
装置（回折格子通過型又は回折格子反射型）を焦
平面３０の下に設けて、物体によつて反射される
音響体積波ではなく、物体を透過する音響体積波
を受け取る様にすることも可能である。その場
合、別個の走査装置は直接パルス圧縮フイルタに
接続される。更に、理論的には、物体によつて反
射される音響体積波を受け取るために、音響体積
波の発射に用いた走査装置ではなくストリツプ状
の音響体積波変換器を用いることも可能である。
その場合、走査装置から発射された音響体積波が
物体によつて反射されて音響体積波変換器に到達
する様に両装置の配置や角度を適切に定めること
が必要である。

これまで、走査装置１０のＸ及びＹ方向におけ
る特徴だけを説明したが、これは走査装置１０が
Ｙ方向において変わらない断面を有するという仮
定に基いている。もちろん、これに当てはまらな
い様な形状の走査装置を形成することも可能であ
る。例えば、回折格子を有する面を平面でなく円
筒面（円筒面の中心軸はＸ方向に延びている）に
することが考えられ、その場合、Ｙ方向に傾いて
集束する音響体積波も発射される。これは回折格
子通過型及び回折格子反射型の走査装置の両方に
適用可能である。更に、本発明の教義の範囲内に
ある限り、チヤープ・パルスは必ずしも線形であ
る必要はなく、又、プレーナ体積波として発射さ
れる必要もない。又、回折格子は周期性及び振幅
に関して一様でなくてもよい。

その外にも種々の変更が可能である。例えば、
前記米国特許第4011747号に示されている様な装
置において、音響表面波を回折格子で散乱させる
代りに、本発明に従つて音響体積波を回折格子で
散乱させて集束する音響体積波を生じることがで
きる。その場合にも、本発明による種々の利点が
得られる筈である。この様に従来の装置を本発明
に従つて修正したものも本発明の実施態様の範囲
にはいる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による音響走査装置及びそれに
関連した電子的回路を示す図第２図は本発明によ
る別の型の音響走査装置及びそれに関連した電子
的回路を示す図である。 １４…音響体積波変換器、１８…基体、２７…
回折格子、２０…チヤープ・パルス発生器、２２
…トリガー・パルス発生器、３６…パルス圧縮フ
イルタ、３８…記録装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 音響体積波を伝播させるための伝播媒体と、 チヤープ・パルスを生じる手段と、 上記チヤープ・パルスを上記伝播媒体内で伝播
   する音響体積波チヤープ・パルスに変換する変換
   手段と、 上記伝播媒体内で伝播する音響体積波チヤー
   プ・パルスがすれすれの入射角で入射する様に上
   記音響体積波チヤープ・パルスの伝播路に沿つて
   設けられた音響的回折格子であつて、上記音響体
   積波チヤープ・パルスを散乱させることにより、
   該回折格子に平行な方向に走査する集束音響体積
   波ビームを生じるものと を有する音響走査装置。