WO2009104811A1 - 超音波計測装置及び超音波計測方法 - Google Patents

超音波計測装置及び超音波計測方法 Download PDF

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WO2009104811A1
WO2009104811A1 PCT/JP2009/053480 JP2009053480W WO2009104811A1 WO 2009104811 A1 WO2009104811 A1 WO 2009104811A1 JP 2009053480 W JP2009053480 W JP 2009053480W WO 2009104811 A1 WO2009104811 A1 WO 2009104811A1
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ultrasonic
propagation time
defect
subject
aperture synthesis
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PCT/JP2009/053480
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French (fr)
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尾関孝文
高田一
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0654—Imaging
    • G01N29/069—Defect imaging, localisation and sizing using, e.g. time of flight diffraction [TOFD], synthetic aperture focusing technique [SAFT], Amplituden-Laufzeit-Ortskurven [ALOK] technique
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
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    • G01N29/221—Arrangements for directing or focusing the acoustical waves
    • G—PHYSICS
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    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
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    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/102—Number of transducers one emitter, one receiver

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic measurement apparatus and an ultrasonic measurement method, and in particular, an ultrasonic flaw detection method which is a kind of nondestructive inspection method, and covers various shapes such as plates, pipes, and cylinders made of metal, resin, and the like.
  • the present invention relates to measurement of internal defects existing in a specimen. Background art
  • the ultrasonic flaw detection method which is a kind of non-destructive detection method, has been widely used for flaw detection of steel and other internal defects.
  • this internal defect inspection in order to obtain more detailed information on internal defects, it is required to increase the resolution of ultrasound images.
  • the following conventional methods are required. There is technology.
  • Non-Patent Document 1 There is a C-scan ultrasonic flaw detection method (see Non-Patent Document 1, for example) that scans a subject with an ultrasonic transmitter / receiver that transmits and receives a focused beam. This flaw detection is used to detect internal defects that require high resolution. The law is heavily used.
  • an aperture synthesis method as a technique aiming at high-resolution imaging (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • the principle of the aperture synthesis method will be described by taking as an example a case where defect imaging is performed by bringing the transducer array 120 shown in FIG. 30 into contact with the surface of the subject 110.
  • Defect echo is detected by transmitting ultrasonic waves from each transducer in the transducer array 1 2 0 and detecting the defect echo from the time from transmission of ultrasonic to echo reception. Measure the path.
  • the waveform obtained by setting the focal point at a certain position and performing the aperture synthesis in (2) above using the signal of each transducer is used as the focused type ultrasonic probe. If it is considered to be equivalent to the waveform obtained by flaw detection using the focused beam of the rope, it can be combined with the aperture synthesis method using an array type ultrasonic probe.
  • Patent Document 1 JP-A-8-6 2 1 9 1
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-65808
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-150875
  • Non-Patent Document 1 Edited by Japan Association for Nondestructive Inspection, “Ultrasonic Flaw Test II”, Japan Society for Nondestructive Inspection (2000), p. 1 5 1 to 1 5 2
  • the flaw detection methods (1) to (3) have the following problems.
  • the resolution of flaw detection using a focused beam can be expressed by the beam diameter d w at the focal point.
  • the beam diameter dw can be approximated by the equation (1) using the focal length F of the ultrasonic beam, the wavelength, and the diameter D of the transducer (ultrasonic transducer).
  • the ultrasonic transmitter / receiver in order to detect the defect echo over a wide range, the ultrasonic transmitter / receiver needs a wide directivity angle, and the ultrasonic beam is narrowed down. Concentrated on a measurement and has been regarded as a technology incompatible with the C-scan flaw detection method
  • This method also has a problem that the resolution is not improved when a highly focused ultrasonic beam is used. Specifically, a focused ultrasonic probe with a large ultrasonic transducer or an array type ultrasonic probe with a large area of the ultrasonic transducer array array used for aperture synthesis processing, as well as the focal length and subject There is a problem when the contact medium equivalent distance from the probe is not long enough for the size of the ultrasonic probe.
  • the present invention is a method for measuring internal defects in flaw detection using a focused ultrasonic probe having a large ultrasonic transducer and a short focal length, and an aperture synthesis having a large area of an ultrasonic transducer array array used for aperture synthesis processing and a short focal length.
  • the purpose is to improve the resolution.
  • the present invention provides an ultrasonic measuring apparatus comprising: an ultrasonic wave directed toward the subject while scanning the focal point formed by the ultrasonic probe relative to the subject. Transmitting and receiving means for receiving a reflected wave from an internal defect of the subject;
  • the waveform of the ultrasonic wave propagating between the ultrasonic probe and the internal defect is received at each measurement position using the reference propagation time obtained by treating it as the ultrasonic waveform synthesized on the entire transmission / reception surface.
  • the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention is preferably as follows.
  • Propagation time measuring means for measuring the propagation time to the internal defect based on the reflected wave at each measurement position
  • the aperture synthesis processing means extracts an equal propagation time plane formed by connecting positions inside the subject where the reference propagation times are equal, corresponding to the propagation time measured by the propagation time measurement means, and so on.
  • the position on the propagation time plane is defined as the defect position.
  • the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention calculates the number of times extracted during the scanning for each defect detection position obtained by the aperture synthesis processing unit, and lacks the calculated number of times. It is preferable to have display means for performing display in correspondence with the candidate positions.
  • the aperture synthesis processing unit delays the reflected wave received by the transmission / reception unit by a delay time calculated based on the reference propagation time, and then adds the delayed wave.
  • a signal is generated.
  • the ultrasonic measurement apparatus preferably includes display means for displaying the signal data generated by the aperture synthesis processing means.
  • the reference propagation time is calculated as follows:
  • a waveform of an ultrasonic wave transmitted and received between each of the divided areas and an internal defect is obtained, and a reference propagation time is calculated from a waveform obtained by synthesizing the waveform over the entire surface of the ultrasonic probe.
  • the reference propagation time is calculated as follows:
  • the reference propagation time is further obtained by receiving the reflected wave from the internal defect of the subject.
  • the ultrasonic probe is a focused ultrasonic probe.
  • the ultrasonic probe is an array type ultrasonic probe in which a plurality of vibrators are arranged. Furthermore, the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention preferably includes signal processing means for forming a focal point of the signal of each transducer by aperture synthesis processing and using the signal received at each measurement point.
  • the ultrasonic measurement apparatus preferably includes defect determination means for performing defect determination using a signal subjected to the aperture synthesis processing by the aperture synthesis processing means.
  • the ultrasonic measurement method includes:
  • Waveforms of ultrasonic waves propagating between the ultrasonic probe and internal defects are An aperture synthesis processing step for performing aperture synthesis processing of the signal received at each measurement point using the reference propagation time obtained by treating it as an ultrasonic waveform synthesized on the surface;
  • the present invention transmits an ultrasonic wave toward the subject while scanning a focal point formed by an ultrasonic probe relative to the subject, and receives a reflected wave from an internal defect of the subject.
  • An aperture synthesis processing means for performing aperture synthesis processing of the signal received at each measurement point is provided, so that the measurement resolution of internal defects can be improved.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an internal defect imaging apparatus using ultrasonic waves according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the equal propagation time plane of the present invention.
  • Fig. 3 is a flowchart showing a processing method for obtaining the ultrasonic propagation time by ultrasonic propagation analysis.
  • 4A to 4C are explanatory diagrams showing the procedure of the method for obtaining the propagation time.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a processing method for preparing an equal propagation time plane.
  • Fig. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of change in propagation time and the equal propagation time plane.
  • Figure 7 shows an example of data for the equal propagation time.
  • Figure 8 is a flowchart showing the process of synthesizing defect images.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of the water propagation time and the inspected object propagation time.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a method of drawing an equal propagation time plane at different propagation times using one equal propagation time plane.
  • Figure 11 is an explanatory diagram of the visualization process.
  • FIG. 12 to FIG. 12C are diagrams showing the effect of the embodiment of the present invention in comparison with the result of the conventional method.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of aperture synthesis in Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 14 is a configuration diagram of an internal defect imaging apparatus using ultrasonic waves according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram of the equal propagation time plane of the present invention.
  • Figure 16 is a flow chart showing the processing method for obtaining the ultrasonic propagation time by ultrasonic propagation analysis.
  • Figure 17 is a flow chart showing the processing method for acquiring the ultrasonic waveform at the defect location.
  • FIG. 18 is a flowchart showing a processing method for receiving an array type ultrasonic probe and performing an aperture synthesis process to obtain an output waveform.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram showing the procedure of the method for obtaining the propagation time.
  • FIG. 20 is a flowchart showing a processing method when preparing an equal propagation time plane.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of change in propagation time and the equal propagation time plane.
  • Figure 22 shows an example of data on the equal propagation time plane.
  • Fig. 23 is a flowchart showing the process for synthesizing the defect image.
  • Fig. 24 is an explanatory diagram of water propagation time and inspected object propagation time.
  • Fig. 25 is an explanatory diagram of a method for drawing the equal propagation time plane at different propagation times using one equal propagation time plane.
  • Fig. 26 is an explanatory diagram of the visualization process.
  • FIG. 27A to FIG. 27C are diagrams showing the effect of the embodiment of the present invention in comparison with the result of the conventional method.
  • FIG. 28 is an explanatory diagram of a method for performing waveform recombination by configuring a delay time from a profile of the propagation time change amount in the fourth embodiment of the present invention.
  • Fig. 29 shows a line-focusing linear array type ultrasonic probe.
  • FIG. 30 is an explanatory diagram of the principle of a conventional aperture synthesis method.
  • FIG. 31 is an explanatory diagram of a defect image synthesis method in the prior art (Patent Document 3).
  • Figure 32 is an explanatory diagram showing the path of the ultrasonic probe and microelements in the prior art.
  • an ultrasonic transducer with a large measuring ultrasonic transducer and a focused ultrasonic probe or an ultrasonic transducer used for aperture synthesis processing an array ultrasonic probe with a large area in the transducer array row, the focal length, the distance to the subject, the ultrasonic probe If the contact medium equivalent distance from is not long enough for the size of the transducer area that transmits and receives the ultrasonic probe,
  • the contact medium conversion distance L is expressed by the following formula.
  • the distance is expressed in terms of the distance in the medium in contact with the probe transducer, and the conversion is performed geometrically in consideration of refraction. In effect, it is equivalent to the focal length.
  • L L1 + L2x (C2 / C1) + L3x (C3 / C1) +
  • the present invention pays attention to the fact that the ultrasonic probe transmits and receives ultrasonic waves over the entire surface of the ultrasonic probe, and from the internal defect by the position of the ultrasonic probe and the position of the internal defect. Analyzing in advance how the propagation time of the reflected wave changes, and performing signal processing using the analysis results, aperture synthesis for large-aperture, short-focus ultrasound probes This is based on the knowledge that these can be combined. Specific examples will be described as Embodiment 1 and Embodiment 2, respectively. Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic imaging apparatus, which is an example of an ultrasonic measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1 indicates a subject to be examined.
  • subject 1 is a stationary subject, water is used as the medium, and internal defects are imaged using the immersion method.
  • a focused ultrasonic probe (hereinafter also simply referred to as an ultrasonic probe) that transmits and receives a focused beam, and transmits the ultrasonic focused beam toward the subject 1 by means of an electrical pulse from the transmitter circuit 1 1 at a fixed period.
  • a reflected wave (echo) from the surface and inside of the subject 1 is received.
  • the received signal is amplified to an appropriate level convenient for later signal processing by the receiving amplifier 12.
  • the transmission circuit 11 and the reception amplifier 12 correspond to the transmission / reception means of the present invention.
  • the ultrasonic probe 10 is two-dimensionally scanned (x _ y scan) on the subject 1 by an appropriate scanning means. The positions are detected by the x-direction position detection means 2 1 and the y-direction position detection means 2 2, respectively, and sent to the reflected waveform data section 13.
  • the ultrasonic probe 10 that transmits and receives a focused beam may be configured to form a focused beam with a single ultrasonic transducer having a curved transmission and reception surface, or a plurality of ultrasonic transducers may have a curvature. The arrangement may be such that a focused beam is formed.
  • the reflected waveform data section 13 detects reflected waveform data corresponding to each position P i> based on the outputs of the receiving amplifier 12, the X direction position detecting means 21, and the y direction position detecting means 22.
  • the output is sent to the defect image composition processing unit 14.
  • the missing image synthesis processing unit 14 corresponds to the aperture synthesis means of the present invention, and measures the propagation time of ultrasonic waves.
  • the difference in timing until the transmitted pulse and the reflected surface echo 51 on the surface of the subject are received, that is, the water propagation time, and the difference in reception timing between the surface echo 51 and the defect echo 52, i.e., the ultrasonic wave Measure the specimen propagation time.
  • the water propagation time may be considered constant, so the water propagation time is measured once (or even if it is determined from the arrangement relationship). Then, only the subject propagation time, which is the difference in reception timing between the surface echo 51 and the defect echo 52, needs to be measured.
  • Each measured propagation time (hereinafter referred to as measurement propagation time) is recorded in association with the center position of the ultrasound probe 10 (i: position in the X direction, j: position in the y direction). Is done.
  • the equal propagation time plane data section 15 is composed of a storage device, and stores the data of the equal propagation time plane obtained in advance by, for example, ultrasonic wave analysis. As shown in FIG.
  • the uniform propagation time plane is a plane formed by connecting points where the round trip propagation time from the probe surface to the minute defect at that point becomes equal. This equal propagation time plane varies depending on the distance of the ultrasonic probe 10 to the subject surface and the depth of the defect from the subject surface. Prepare the data.
  • an equal propagation time plane is created by ultrasonic propagation analysis prior to defect image synthesis processing.
  • the present invention is not limited to this, and the creation of the equal propagation time plane may be performed during the defect image synthesis.
  • Fig. 3 is a flowchart of a method for obtaining an ultrasonic propagation time (hereinafter referred to as a reference propagation time) by ultrasonic propagation analysis
  • Fig. 4 is an explanatory diagram showing a procedure of a method for obtaining a reference propagation time. .
  • a reference propagation time an ultrasonic propagation time
  • the probe and the path are represented in two dimensions, but in the first embodiment, the analysis is performed assuming that the probe and the path are in a three-dimensional space.
  • the present invention is not limited to this, and the processing may be performed in two dimensions.
  • FIG. 3 A path from each region on the surface of the ultrasonic probe to a preset minute defect (corresponding to the set internal defect of the present invention) is obtained.
  • the upper part of Fig. 4 shows the routes for the four areas A–D.
  • the path is obtained assuming that transmission / reception is performed at a point at the center of the minute element.
  • a to D show a part of the microelements for explanation.
  • (S 5) As shown in the middle of Fig. 4, perform the calculation of (S 4) above for all the microelements (in the figure, A to D in order), and obtain the waveform obtained sequentially. Add together.
  • the propagation time is obtained from the difference between the emission time from the probe and the arrival time.
  • methods for reading the B time include obtaining a rise time by setting a threshold, obtaining a fall time by obtaining a threshold in the same manner, and obtaining a time at which the waveform has a peak value. Select an appropriate method from these.
  • Figure 5 is a flowchart showing the method. This procedure is shown below.
  • step 4 the amount of movement of the subject and the center axis of the probe at one time (moving pitch) should be less than or equal to the spatial resolution required for measurement, for example, and signals from internal defects can be obtained. What is necessary is just to move a probe to the range.
  • the data on the equal propagation time plane is obtained by adjusting the depth of the minute defect so as to cancel the increase and decrease of the reference propagation time as a result.
  • the reference propagation time and the equal propagation time plane are obtained as the difference from the value when the deviation from the probe center axis is zero.
  • the above procedure for calculating the equal propagation time plane is an example, and the present invention is not limited to this.
  • the internal defect depth is also used as a variable, and the reference propagation time is obtained at a plurality of internal defect depths. It may be a propagation time plane. Also, it may be obtained by calculation or by experiment.
  • the creation method of the equal propagation time plane in the present invention is not limited to the creation method of the equal propagation time plane using the ultrasonic wave propagation analysis described above, and other analysis methods may be used or obtained by experiment. Also good.
  • FIG. 7 is an example of the data of the equal propagation time plane obtained as described above. This is stored in the uniform propagation time plane data section 15 of FIG. 1, and the defect image synthesis processing section 14 stores the defect image. Used when synthesizing.
  • the reference propagation time compared to the propagation time measured at the time of measurement is the propagation time corresponding to the column where the deviation from the probe center is zero.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the processing when the defect image is synthesized in the ultrasonic imaging apparatus of FIG.
  • Defect image synthesis processing unit 14 detects water propagation time and subject propagation time from the reflected waveform at P with the largest defect echo in the reflected waveform data, as shown in Fig. 9. The water distance and the object distance (defect depth) are obtained from the measured propagation time.
  • the defect image synthesis processing unit 14 is configured to store the water distance and subject distance in the data of the equal propagation time plane stored in the equal propagation time plane data section 15 (see Fig. 7). Select the water distance obtained in (S 3 2) above.
  • the subsequent processing is performed using only one uniform propagation time plane shape data selected here.
  • FIG. 10 shows a method of drawing (determining) the equal propagation time plane at different reference propagation times using one equal propagation time plane data, and the equal propagation time of reference propagation time T 2 When the reference propagation time differs for surface data
  • the defect image composition processing unit 14 performs an imaging process using the data on the equal propagation time plane selected in (S 33) above.
  • the imaging processing method in the first embodiment is shown in FIG. Here, in FIG. 11, it is described in two dimensions for simplicity, but in the first embodiment, processing is performed in three dimensions. However, the present invention is not limited to this, and the processing may be performed in two dimensions.
  • the procedure of the visualization processing method in Embodiment 1 is shown below. It is assumed that the defect image composition processing unit 14 has an image memory corresponding to the configuration shown in FIG.
  • Propagation time (hereinafter also referred to as measurement propagation time) is detected as shown in Fig. 11 for the probe center position P i, j where a defective echo has been detected in each position P.
  • microvolume elements The area in the subject 1 where defects can exist is divided into microvolume elements, and each microvolume element has a three-dimensional address P, (k: position in the X direction, 1: position in the y direction, m: Position in the Z direction).
  • An equal propagation time plane (see Fig. 10) is formed from the center of the equal propagation time plane set in (c) above, and for each microelement P corresponding to the position of the equal propagation time plane, Add a count of 1 to the force counter Ck, ⁇ set in P fw ⁇ .
  • each (k, 1, m (k, 1)) A polygon is constructed by connecting adjacent centers of corresponding minute elements with a line.
  • the imaging method is not limited to the 3D polygon display method as described above, but may be another 3D display method or a 2D display method.
  • FIG. 12 (b) shows an example in which C-scan flaw detection is performed, and the defect image composition method is used to visualize the image and display it on the defect image display device 16.
  • FIG. 12 (c) is a diagram showing a three-dimensional display by the method of the defect image synthesis method (S35) after performing the imaging process by the method described in Patent Document 3 above.
  • the underwater focal length and the contact medium equivalent distance L are about 2.5 of the transducer area (oscillator diameter).
  • the image of the artificial hole is flattened in the z direction, whereas in Figure 12 (b), the curved surface of the artificial hole is reproduced, and the shape resolution is improved. I understand that.
  • the defect determination device 17 has the defect image composition. Defect determination is performed based on the above signal subjected to opening processing by the processing unit 14. If only defect determination is required, the defect image display device 16 for visualizing and displaying the synthesis result is not necessarily required. A configuration may be adopted in which 7 is input and only the determination result is output. Conversely, if automatic defect determination is not performed, the defect determination device 17 may be omitted.
  • the position of the defect candidate is extracted using the reflection waveform data section 1 3 (propagation time measurement means) that measures the propagation time to the internal defect based on the above and the equal propagation time plane data corresponding to the measured propagation time
  • Defect image synthesis processing unit 14 defect position extracting means
  • Defect image display device for writing and displaying images 1 6
  • An ultrasonic imaging apparatus for internal defects comprising a display means, and a defect image synthesis processing unit 14 (defect position extraction).
  • the equal propagation time plane data includes the propagation time of the ultrasonic wave propagating between the focused ultrasonic probe 10 and the set internal defect on the transmission / reception surface of the focused ultrasonic probe 10.
  • the entire surface is divided into a plurality of regions, and waveforms of ultrasonic waves transmitted and received between the divided regions and the set internal defects are obtained, and the waveforms are synthesized on the entire surface of the focused ultrasonic probe 10.
  • the second embodiment is an example in which the defect image composition processing unit 14 in FIG. 1 performs a process different from the above arithmetic process.
  • the defect image composition processing unit 14 according to the second embodiment uses delay time data instead of the above equal propagation time plane data. Therefore, a storage device (not shown) for storing delay time data is provided in place of the equal propagation time plane data portion 15.
  • This delay time data (delay time group) is obtained from the propagation time variation data (data before the conversion in Fig. 6). As shown in the conceptual diagram of Fig. 13, the propagation time data The longer the variation data, the smaller the delay time, and the shorter the variation data, the larger the delay time. In the same way as the equi-propagation time plane data, it is obtained for each value of water distance and defect depth and stored in the storage device.
  • the defect image synthesis processing unit 14 differs in the specific contents of the equal propagation time plane selection process (S 3 3) and the data visualization process (S 3 4). The other processing is the same.
  • the equal propagation time plane selection process (S 3 3) is a delay time data selection process. Specifically, the delay time data (delay time group) corresponding to the water distance and defect depth of the received waveform measured with the ultrasonic probe is selected.
  • the aperture synthesis process is performed as shown in Fig. 13 using the delay time data selected in the delay time data selection process.
  • a predetermined number of adjacent probe positions (10 points in the example of Fig. 29) were selected from the many points scanned by the probe, and the selected reflection waveform data was measured at those 10 points.
  • waveform processing is delayed at each probe position. To do. In the case shown in Fig. 13, the delay time is reduced for the signal on the outer probe and the delay time is increased for the inner probe. As a result, if there is a defect under the probe located at the center of the predetermined number of probes, the defect signal is emphasized and the presence of the defect can be detected by aligning the defect waveform.
  • An aperture composite waveform is obtained by selecting and repeating a predetermined number of data in order while moving the selection range for data obtained by measuring such a process at a number of points. Then, when selecting the delay time data (delay time group), the delay time data (delay time group) corresponding to a plurality of depths are respectively selected, and the above arithmetic processing is repeated. Then, the obtained waveform is displayed by an appropriate method (A scope, B scope, C scope, three-dimensional display).
  • This Embodiment 2 is also visualized by the defect image synthesis method and displayed on the defect image display device 16.
  • the defect determination device 17 performs defect determination based on the above-mentioned signal subjected to the aperture processing by the defect image synthesis processing unit 14.
  • the defect image display device 16 for visualizing and displaying the synthesis result is not necessarily required.
  • the defect determination device 17 inputs the synthesis result from the defect image synthesis processing unit 14. However, it may be configured to output only the determination result. Conversely, if automatic defect determination is not performed, the defect determination device 17 may be omitted.
  • a transmission circuit 1 1 for transmitting an ultrasonic wave toward the subject 1 and receiving a reflected wave from an internal defect of the subject 1, and delaying the received reflected wave
  • the defect image composition processing unit 14 for generating a signal by adding the signals
  • the defect image composition processing unit 14 for outputting the generated signal data to an image memory for display.
  • an ultrasonic imaging apparatus for detecting an internal defect between the focused ultrasonic probe 10 and the set internal defect in the defect image synthesis processing unit 14 (signal generation means).
  • the propagation time of the focusing ultrasonic probe 10 Divided, the A waveform of an ultrasonic wave transmitted / received between each divided region and a set internal defect is obtained, and the waveform is calculated from a signal waveform synthesized over the entire surface of the focused ultrasonic probe 10.
  • the amount of change in the propagation time with respect to the relative position between the ultrasonic probe 10 and the set internal defect is obtained, the delay time is obtained from the amount of change in the propagation time, the reflected wave is delayed by the delay time, and the video signal of the internal defect is obtained.
  • the signal of each transducer of the array-type ultrasound probe are formed as a received signal at each measurement point by forming a focal point by aperture synthesis processing.
  • the received signal at each measurement point is further subjected to aperture synthesis processing.
  • the array ultrasonic probe is synthesized by aperture synthesis or aggregation.
  • Embodiment 3 By analyzing in advance how the propagation time of the reflected wave from the internal defect changes depending on the position of the focal point formed by the internal defect and the position of the internal defect, by performing signal processing using the analysis result, This is based on the knowledge that it is possible to improve the flaw detection resolution using a probe and aperture synthesis setting with a large area of the entire array of ultrasonic transducer arrays and a short focal length. Specific examples will be described as Embodiment 3 and Embodiment 4, respectively. Embodiment 3.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic imaging apparatus which is an example of an ultrasonic measurement apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 1 indicates a subject to be examined.
  • subject 1 is a stationary subject, water is used as the medium, and internal defects are imaged using the immersion method.
  • 10 is an array-type ultrasonic probe that transmits and receives ultrasonic waves.
  • An electric pulse with a fixed period from the transmission circuit 1 1 1 passes through the drive element selection circuit 1 1 2 according to the electric signal transmitted to each transducer.
  • An ultrasonic beam is transmitted to the subject 1 and a reflected wave (echo) from the surface and inside of the subject 1 is received.
  • a reflected wave reflected wave
  • the received signal is subjected to aperture synthesis processing by the receiving circuit 1 1 3 and the array signal processing circuit 1 1 4. Also, it is amplified to an appropriate level convenient for later signal processing.
  • the array type ultrasonic probe 10 0 a is scanned two-dimensionally (X-y scan) or one-dimensional scan (y-scan) on the subject 1 by an appropriate scanning means, and the position is X-direction position detection means. 2 Detected by 1 and y direction position detection means 2 2 and sent to output waveform data section 1 1 5 respectively.
  • the output waveform data section 1 1 5 is based on the outputs of the array signal processing circuit 1 1 4, the X-direction position detection means 2 1, and the y-direction position detection means 2 2.
  • Output waveform data corresponding to the focal point P i, j (i: position in the x direction, :: position in the y direction) formed by the synthesis (corresponding to the output waveform data of the focused ultrasound probe in the first and second embodiments) Detected and the output is sent to the defect image synthesis processing unit 1 1 6.
  • the defect image synthesis processing unit 1 1 6 measures the difference between the transmission time and the reception time of the defect echo 52, that is, the propagation time of the ultrasonic wave.
  • the propagation time measured here is the difference between the transmission time and the reception time of the reflected surface echo 51 on the subject surface, that is, the water propagation time and the reception timing of the surface echo 51 and the defect echo 52. Difference, that is, ultrasonic wave object propagation time. If the surface of the subject and the scanning surface of the array-type ultrasonic probe 10 a are almost parallel, the water propagation time may be considered constant, so the water propagation time is measured once (or from the arrangement relationship). Then, only the subject propagation time, which is the difference in reception timing between the surface echo 51 and the defect echo 52, needs to be measured. Each measured propagation time (hereinafter also referred to as measured propagation time) is recorded in association with each position P i, j.
  • the equal propagation time plane data part 1 17 is a storage device, and stores the data of the equal propagation time plane obtained in advance, for example, by ultrasonic propagation analysis.
  • This uniform propagation time plane is a plane formed by connecting points that are obtained by aperture synthesis and have the same round-trip propagation time to the minute defect at that point, as shown in Fig. 15. is there. Since this equal propagation time plane changes depending on the depth of the defect with respect to the focal point of the array-type ultrasonic probe 10a, a plurality of uniform propagation time plane data for each defect depth is prepared.
  • the output waveform data section 1 15, the defect image composition processing section 1 1 6, and the equal propagation time plane data section 1 17 constitute the defect image reconstruction signal processing section 2 200.
  • the array signal processing circuit 1 1 4 and the defect image synthesis processing unit 1 1 6 have the same function in that both perform aperture synthesis processing. However, the array signal processing circuit 1 1 4 has an array at each measurement point. Aperture synthesis processing is performed on the signal received by each transducer of the ultrasonic probe, thereby obtaining the signal received by the focused beam at each measurement point.
  • the signal processing means according to claim 9 (a signal processing means for forming a focal point by the aperture synthesis process for the signal of each transducer and using the signal received at each measurement point).
  • the defect image synthesis processing unit 1 16 performs aperture synthesis processing on the signals subjected to the aperture synthesis processing by the array signal processing circuit 1 14 at each measurement point to synthesize a defect image.
  • the equal propagation time plane data of the present invention is essential, but in the array signal processing circuit 1 1 4, since the vibrator is small, the equal propagation time plane data of the present invention is used. Even if it is not used, the synthetic aperture processing of the conventional method (the reflection source exists at the same distance from the center of the transducer) may be used.
  • the array type ultrasonic probe 10 a has been described as performing all the transducers included in the transmission / reception area range. However, if not all, the gap is set at one or two intervals. It is also possible to select a transducer for transmission and reception and perform transmission and reception using it.
  • an equal propagation time plane is created by ultrasonic propagation analysis prior to defect image synthesis processing. The present invention is not limited to this, and the creation of the equal propagation time plane may be performed during the defect image synthesis.
  • the creation of an equal propagation time plane as shown in Fig. 15 can be performed by calculating the propagation time W (referred to as the reference propagation time) by ultrasonic propagation analysis. This will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 16, 17, and 18 and the explanatory diagrams of FIGS. 19.
  • Fig. 16 is a flowchart of the overall method for obtaining the reference propagation time by ultrasonic propagation analysis.
  • Fig. 17 shows the details of processing S 4 3 (acquisition of ultrasonic waveform at the defect position) in Fig. 16.
  • Fig. 18 is a flowchart showing details of processing S 4 4 (acquisition of ultrasonic waveform received by array probe and aperture synthesis processing) in Fig. 16;
  • Fig. 19 is a reference. It is explanatory drawing which showed the procedure of the method of obtaining propagation time.
  • Fig. 19 shows the two-dimensional analysis of the linear array probe.
  • the present invention is not limited to this, and the shape of the array probe may not be linear, and the analysis may be performed in three dimensions.
  • the arrival time is read from the output waveform obtained in (S 44) above.
  • the method of reading the time includes setting the threshold value to acquire the rising time, setting the threshold value to acquire the falling time, and acquiring the time when the waveform reaches the peak value, but is not particularly limited. An appropriate method is appropriately used in accordance with the obtained waveform.
  • the reference propagation time is obtained from the difference between the emission time from the probe and the arrival time.
  • methods for reading the time include obtaining a rise time by setting a threshold value, obtaining a fall time by obtaining a threshold value in the same manner, and obtaining a time when the waveform has a peak value. Choose an appropriate method.
  • FIG. 20 is a flowchart showing the method. This procedure is shown below.
  • the data of the equi-propagation time is referenced as a result as shown in Figure 21. It can be obtained by adjusting the depth of the micro defect so as to cancel the increase and decrease of the propagation time.
  • the reference propagation time and the equal propagation time plane are obtained as the difference from the value when the deviation from the aperture synthetic focal axis is zero. Note that the above procedure for calculating the equal propagation time plane is an example, and the present invention is not limited to this.
  • the internal defect depth is also used as a variable, and the reference propagation time is obtained at a plurality of internal defect depths. It may be a surface.
  • an equal propagation listening surface can be prepared for all water distances, object distances and aperture synthetic focal depths that may be required.
  • the method of creating the equal propagation time plane in the present invention is not limited to the above method, and data based on actual measurement or ultrasonic propagation simulation may be used.
  • the calculation method of the reference propagation time is not limited to the method shown in Fig. 16, Fig. 17, Fig. 18 and Fig. 19.
  • the transducer is further divided into a plurality of microregions, and processing is performed by adding the signals of each microregion in units of each transducer. Just do it.
  • transducers are arranged only in the one-dimensional direction
  • it can also be applied to an array type probe arranged in two dimensions.
  • Fig. 2 2 shows an example of the isopropagation time plane data obtained as described above. This is stored in the isopropagation time plane data section 1 1 7 of Fig. 1 4 and the defect image synthesis processing section 1 It is used when synthesizing defect images in 1-6.
  • the reference propagation time compared with the measured propagation time is the propagation time corresponding to the column where the deviation from the aperture synthetic focus is zero.
  • Fig. 23 is a flowchart showing the processing for synthesizing a defect image in the ultrasonic imaging apparatus of Fig. 14.
  • the array signal processing circuit 1 1 4 or the defect image composition processing unit 1 1 6 calculates the reflection waveform from P i, j with the largest defect echo in the output waveform data from Fig. 2. As shown in Fig. 4, the water propagation time and the subject propagation time are detected, and the water distance and subject distance (defect depth) are obtained from these propagation times.
  • the defect image synthesis processing unit 1 1 6 is the water distance in the data of the uniform propagation time plane stored in the uniform propagation time plane data section 1 1 7 (see Fig. 2 2).
  • ⁇ Subject distance and aperture The setting value of the synthetic focal depth is the water distance obtained in (S 6 2) above ⁇ Subject distance and the synthetic aperture depth close to the synthetic focal depth are selected.
  • the subsequent processing is performed using only one uniform propagation time plane shape selected here.
  • Fig. 25 shows the method of drawing (determining) the equal propagation time plane at different reference propagation times using one equal propagation time plane.
  • the equal propagation time plane of reference propagation time T 2 On the other hand, even when the reference propagation time is different (T l, ⁇ 3), if the difference in propagation time is not large, just change the depth position, and the equal propagation time surface of reference propagation time ⁇ 2 It is possible to use an equal propagation time plane with the same shape as in this case (in this case, it is sufficient to have data for one equal propagation time plane). If the depth range where the internal defect to be detected exists is wide and the equal propagation time plane cannot be handled as the same shape, refer to the reference propagation time corresponding to the measured propagation time and The time plane data may be used.
  • the defect image composition processing unit 1 16 performs imaging processing using the data on the equal propagation time plane selected in (S 6 3) above.
  • the imaging processing method in Embodiment 3 is shown in FIG. Here, in FIG. 26, it is described in two dimensions for simplicity, but in the third embodiment, processing is performed in three dimensions. However, the present invention is not limited to this, and the processing may be performed in two dimensions.
  • the procedure of the visualization processing method in Embodiment 1 is shown below.
  • the propagation time (hereinafter also referred to as measurement propagation time) is detected as shown in Fig. 24.
  • the measurement propagation time may be detected by the array signal processing circuit 1 14 in FIG. 14 or by the defect image synthesis processing unit 1 16. In this embodiment, the detection is performed by the array signal processing circuit 1 14.
  • microvolume elements The area in the subject 1 where defects can exist is divided into microvolume elements.
  • Each microvolume element has a three-dimensional address P fk, l, m (k: position in the x direction, 1: y Direction position, m:
  • An equal propagation time plane (see Fig. 25) is formed from the center of the equal propagation time plane set in (c) above, and each small region P fk, l, For m, add count 1 to the count ⁇ 1, 111 set in P fk, 1,111.
  • the visualization method is not limited to the 3D polygon display method as described above. Other 3D display methods and 2D display methods may be used.
  • an ultrasonic line-focusing array probe with a frequency of 50 MHz, an array pitch of 100 ⁇ , the number of channels used for aperture synthesis, 32, and the underwater focal length of the line-focused beam of 15 mm (array arrangement as shown in Fig. 29)
  • the surface of the vibrator with a size of 1 O mm has a curvature in the direction perpendicular to the direction and converges in that direction.)
  • an artificial hole with a diameter of 300 ⁇ m is formed in the billet sample.
  • Fig. 27 (b) shows an example of flaw detection as shown in Fig. 27 (a) and visualization using the defect image synthesis method. Note that Fig. 27 (b) uses the equal propagation time plane created by dividing each transducer into smaller regions.
  • FIG. 27 (c) is a diagram in which the imaging process is performed by the method described in Patent Document 3 and three-dimensionally displayed by the method of the defect image synthesis method (S 65).
  • the underwater focal length and the contact medium equivalent distance are about 1.5 of the vibrator region (vibrator diameter).
  • the image of the artificial hole is flattened in the z direction, whereas in Fig. 27 (b), the curved surface of the artificial hole is reproduced, and the shape resolution is improved. I understand that.
  • the defect determination device 17 has Defect determination is performed based on the above-mentioned signal subjected to the opening process.
  • the defect image display device 16 that images and displays the combined result is not necessarily required, and the combined result from the defect image combining processing unit 1 1 6 is used as the defect determination device 1 7. May be input, and only the determination result may be output. Conversely, if automatic defect determination is not performed, the defect determination device 17 may be omitted.
  • Embodiment 3 water is interposed between the array-type ultrasonic probe 10 a and the subject 1, and aperture synthesis processing is performed on the reception signal of the array-type ultrasonic probe 10 a.
  • a signal processing step that performs aperture synthesis processing on the signals received by each transducer of the ultrasonic probe 10 a, and the resultant aperture synthesis waveform after being delayed by a set delay time and then added A method of generating an internal defect, and a display step of displaying the generated signal, wherein the delay time is calculated based on a synthetic aperture waveform.
  • each of the array-type ultrasonic probe 10 a Change in propagation time with respect to the relative position between the focus of the aperture synthesis process performed on the received signal of the transducer and the set internal defect The amount of the defect is obtained, and the imaging signal of the internal defect is generated from the change amount of the propagation time, so that the internal defect can be imaged with high resolution.
  • the fourth embodiment is an example in which the defect image composition processing unit 1 16 in FIG. 14 performs processing different from the above arithmetic processing.
  • the defect image composition processing unit 1 16 of the fourth embodiment uses delay time data instead of the above equal propagation time plane data. Therefore, a storage device (not shown) for storing delay time data is provided in place of the equal propagation time plane data unit 1 17.
  • This delay time data (delay time group) is obtained from the propagation time change data (data before the conversion of Fig. 21), and as shown in the conceptual diagram of Fig. 28, The data is such that the larger the amount of time change, the smaller the delay time, and the smaller the amount of change, the larger the delay time. Similar to the equi-propagation time plane data, it is obtained corresponding to each value of water distance * subject distance ⁇ aperture synthetic focal depth and stored in the storage device.
  • the defect image synthesis processing unit 1 1 6 differs from the flowchart shown in Fig. 23 in the specific contents of the equal propagation time plane selection process (S 6 3) and the data visualization process (S 6 4). Other processing is the same.
  • the equal propagation time plane selection process (S 63) is a process for selecting delay time data. Specifically, the delay time data (delay time group) corresponding to the water distance and defect depth of the received waveform measured with the array-type ultrasonic probe is selected.
  • the waveform resynthesizing process is performed as shown in Fig. 28 using the delay time data selected in the delay time data selection process.
  • a predetermined number of adjacent focal points (10 points in the example of Fig. 28) are selected, and reflected waveform data (array type ultrasonic waves) measured at those 10 points are selected.
  • the waveform is delayed at each probe position. As shown in Figure 28, the delay time is reduced for the signal at the outer focus and the delay time is increased for the inner focus.
  • the defect signal is enhanced by detecting the presence of the defect by aligning the defect waveforms.
  • there should be no defects above and below the central focus For example, if there is a defect directly above or below the outer focal point, the defect signals received at each focal point will not be in phase even if delayed, so they will be canceled and not emphasized, and the defect signal cannot be detected. . In other words, there is no defect directly above or below the focal point located at the center.
  • An aperture composite waveform is obtained by selecting and repeating a predetermined number of data in order while moving the selection range for data obtained by measuring such a process at a number of points. Then, when selecting the delay time data (delay time group), the delay time data (delay time group) corresponding to a plurality of depths are respectively selected, and the above arithmetic processing is repeated. Then, the obtained waveform is displayed by an appropriate method (A scope, B scope, C scope, three-dimensional display). This Embodiment 4 is also visualized by the defect image synthesis method and displayed on the defect image display device 16. In addition to the example described above, the defect determination device 17 performs defect determination based on the above-described signal subjected to the aperture processing by the defect image synthesis processing unit 1 16.
  • the defect image display device 16 that images and displays the combined result is not necessarily required, and the combined result from the defect image combining processing unit 1 1 6 is used as the defect determination device 1 7. May be input, and only the determination result may be output. Conversely, if automatic defect determination is not performed, the defect determination device 17 may be omitted.
  • water is interposed between the array-type ultrasonic probe 10 a and the subject 1, and aperture synthesis processing is performed on the reception signal of the array-type ultrasonic probe 10 a.
  • a transmitter circuit that transmits the ultrasonic wave toward the subject 1 while scanning the formed focus relative to the subject 1 and receives the reflected wave from the internal defect of the subject 1 1 1 'drive Element selection circuit 1 1 2 'Reception circuit 1 1 3 (transmission / reception means) and array signal processing circuit for performing aperture synthesis processing on signals received by each transducer of array type ultrasonic probe 1 0 a 1 1 4 ( A signal processing unit), a defect image synthesis processing unit 1 1 6 (signal generation unit) that generates a signal by delaying the obtained aperture synthesis waveform by the set delay time data, and then generates the signal.
  • Defect image display device that outputs and displays various signal data to image memory 1 6 (Display And the delay time data is calculated by calculating the propagation time based on the synthetic aperture waveform, and the ultrasonic wave method of each of the transducers of the array-type ultrasonic probe 10a. Obtained from the amount of change in propagation time with respect to the relative position between the focus of the aperture synthesis processing performed on the received signal and the set internal defect, and generates a video signal of the internal defect from the amount of change in the propagation time. The internal defects can be visualized with high resolution.
  • the present invention shown in the first to fourth embodiments may be applied even when the ratio of the focal length, the subject distance, and the contact medium distance to the transducer region is sufficiently large. The effect becomes remarkable under the condition that the ratio of the object distance and the contact medium distance to the transducer area is small.
  • the ratio of the focal length to the size of the transducer for transmitting and receiving is applicable in a range larger than 0.5 and smaller than 8, preferably in a range larger than 0.5 and smaller than 6. Is preferably in the range of greater than 0.5 and less than 3. It should be noted that the range of the ratio of the object distance and the catalytic catalyst distance to the size of the transducer that performs transmission and reception to which the present invention is applied is also the same as the focal length.
  • the application of the present invention is not limited to this, and waveform data synthesized based on the obtained counter value and delay time is input and the data is used. It can also be applied to defect detection devices that detect defects by determining the type and degree of defects.

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Abstract

超音波計測装置は、超音波プローブ１０が形成する焦点を被検体に対して相対的に走査しつつ、超音波を前記被検体に向けて送信し、前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信する送受信手段（１１、１２）と、前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、送受信面の全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、各測定点で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理手段（１４）とを備える。

Description

明細書 超音波計測装置及び超音波計測方法 技術分野
本発明は、 超音波計測装置及ぴ超音波計測方法に関し、 特に非破壊検査法の一種で ある超音波探傷法を用いて金属、 樹脂などからなる板、 管、 円柱などの各種の形状の 被検体中に存在する内部欠陥の計測に関する。 背景技術
従来から非破壌検查法の一種である超音波探傷法は鋼材などの内部欠陥探傷に広く 用いられている。 この内部欠陥探傷においては、 より詳細な内部欠陥の情報を得るた め、 超音波映像の高分解能化が求められており、 超音波映像の高分解能化の方法とし ては、 以下のような従来技術がある。
( 1 ) Cスキャン超音波探傷法
集束ビームを送受信する超音波送受信子を被検体に対し 2次元走査する、 Cスキヤ ン超音波探傷法があり （例えば非特許文献 1参照） 、高分解能が必要な内部欠陥検出 には、 この探傷法が多用されている。
( 2 ) 開口合成法
上記した Cスキャン超音波探傷法の他に高分解能な映像化を目的とした技術として 開口合成法がある （例えば特許文献 1及ぴ特許文献 2参照）。 この開口合成法の原理 を、 図 3 0に示される振動子アレイ 1 2 0を被検体 1 1 0の表面に接触させて欠陥映 像化を行う場合を例に挙げて説明する。 振動子アレイ 1 2 0の各々の振動子から超音 波を送信して欠陥ェコーを検出し、 超音波の送信からェコ一受信までの時間から欠陥 エコーの被検体 1 1 0中でのビーム路程を測定する。 個々の振動子 1 2 O p ( p = 1 ， 2， · · ·） 力 ^送信され受信される超音波は空間的に拡がりをもっているので、 振動子 1 2 0 pで検出したエコーのビーム路程が W p ( p = 1 , 2 , · · · ) である とすると、 半径 W pの中空の球 S p ( p = 1 , 2， · ' ·） のうち、 振動子 1 2 0 p が送受信する超音波の指向角範囲のどこかに反射源が存在する。 全ての振動子を用い てエコーを検出し、 中空の球 S pの交点を求めると、 この交点が欠陥像となる。 図 3 0の例では、 振動子アレイ 1 20中 A、 B、 C、 D、 Eが検出したエコーのビーム路 程から欠陥像を合成する様子を示している。
このようなアレイ型超音波プローブを用いた開口合成法では、 アレイ振動子の配置 、 形状に対応した一定の領域で欠陥像の合成が可能であり、 超音波プローブの機械的 な走査が不要であり、 高速に超音波探傷を行うことができる。 そして、 ある深さ位置 に焦点を設定して開口合成処理を行えば、 前記 （1) の集束ビームを用いた Cスキヤ ン超音波採傷法と同等の探傷が可能である。
(3) 集束ビームを用いた開口合成法
前記 （1) (2) を組み合わせた方法として集束ビームを用いた開口合成法がある (例えば特許文献 3参照） 。 この方法は、 集束型超音波プローブを走査し、 各測定点 で受信した信号を開口合成処理して、 一層の高分解能化を行うものである。 図 3 1に 示されるように、 被検体の再構成像を同じ大きさの微小要素に分け， 各測定点 ご とに計測したビーム路程 から欠陥エコー源となりうる微小要素 P Fk,^を選び出す ことを特徴とする方法であり、 この方法により集束ビームを用いた探傷において分解 能を向上させることができる。
また、 アレイ型超音波プローブを用いて、 ある位置に焦点を設定して各振動子の信 号を用いて前記 （2) の開口合成を行うことにより得られた波形を、 集束型超音波プ ロープの集束ビームを'用いた探傷で得られた波形と同等とみなせば、 ァレイ型超音波 プローブを用いた開口合成法と組み合わせることができる。 特許文献
特許文献 1 ：特開平 8— 6 2 1 9 1号公報
特許文献 2 ：特開 2000— 65808号公報
特許文献 3 ：特開 2004— 1 508 75号公報
非特許文献
非特許文献 1 ： (社） 日本非破壊検査協会編集、 「超音波探傷試験 II」 、 （社） 日本非破壌検査協会 （2000) 、 p. 1 5 1〜 1 5 2 上記 （1) 〜 （3) の探傷方法においてはそれぞれ次のような問題点がある。
(1) Cスキャン超音波探傷法
集束ビームを用いた探傷の分解能は焦点におけるビーム直径 d wで表せる。 ビーム 直径 dwは、 超音波ビームの焦点距離 F、 波長え、 振動子 （超音波送受信子） の直径 Dを用いると （1) の式で近似的に表せる。
d w= (F λ) / Ό - (1)
従って、 分解能を上げるためには、
(a)焦点距離 Fを短くする。
(b)波長 λを短くする。
( c )超音波送受信子の直径 Dを大きくする。
という 3つの方法がある。
しかし、 （a) の方法では、 被検体の表面に近い部分しか探傷できなくなるという 問題が起きる。 （b) の方法では、 超音波の減衰が大きくなり、 欠陥の検出が難しく なるという問題が起きる。 そして、 （c) の方法では、 超音波送受信子の電気インピ 一ダンスが低くなりすぎてしまい、 使用できなくなるという問題が起きる。 従って、 集束ビームの使用による髙分解能化には限界がある。
(2) 開口合成法
この開口合成法は、 図 30にも示されているように、 広い範囲にわたって欠陥ェコ 一を検出するために、 超音波送受信子には広い指向角が必要とされ、 超音波ビームを 狭い領域に集束させて測定を行う Cスキャン探傷法とは相容れない技術とざれてきた
(3) 集束ビームを用いた開口合成法
この方法においても、 高集束な超音波ビームを用いた場合には、 分解能が向上しな いという問題点があった。 具体的には、 超音波振動子が大きい集束型超音波プローブ や開口合成処理に用いる超音波振動子アレイ列の領域が大きいアレイ型超音波プロ一 ブを用い、 かつ、 焦点距離、 被検体までの距離、 プローブからの接触媒質換算距離が 、 超音波プロープのサイズに対して十分に長くない場合に問題があった。
以下にその理由を示す。
この方法では、 超音波の送受信は超音波振動子の中心の一点でなされていると仮定 し、 超音波プローブから微小要素までの往復伝搬時間を、 図 3 2に示されるように、 送受信点から微小要素までの唯一の経路上を超音波が伝搬するものとして算出してい る。 しカ し、 実際には超音波の送受信は超音波振動子全面で行われている。 このため 、 特に超音波振動子が大きく焦点距離が短い集束型超音波プローブを用いる場合には 、 一点での送受信という仮定から大きく外れるため、 上記の特許文献 3に記載されて いるような技術で内部欠陥映像化の分解能を上げることは困難であった。 発明の開示
本発明は、 超音波振動子が大きく焦点距離が短い集束型超音波プローブや開口合成 処理に用いる超音波振動子アレイ列の面積が大きく焦点距離が短い開口合成を用いた 探傷において内部欠陥の計測分解能を向上させることを目的とする。 上記目的を達成するために、 本発明は以下からなる超音波計測装置を提供する： 超音波ブロープが形成する焦点を被検体に対して相対的に走査しつつ、 超音波を 前記被検体に向けて送信し、 前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信する送受信手 段と、
前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、 送受信面の全 面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、 各測定 位置で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理手段。 また、 本発明に係る超音波計測装置は、 以下であるのが好ましい。
各測定位置において、 前記反射波に基づいて内部欠陥までの伝搬時間を測定する 伝搬時間測定手段を備え、
前記開口合成処理手段が、 前記参照伝搬時間が等しくなる被検体内部の位置を結 んで形成された等伝搬時間面を、 前記伝搬時間測定手段で測定した伝搬時間に対応し て抽出して、 等伝搬時間面の位置を欠陥位置とする。 また、 本発明に係る超音波計測装置は、 前記開口合成処理手段で求められた欠陥候 捕位置毎に、 前記走査を行った間に抽出された回数を算出して、 該算出した回数を欠 陥候補位置に対応させて表示を行う表示手段を有するのが好ましい。 また、 本発明に係る超音波計測装置において、 前記開口合成処理手段が、 前記参照 伝搬時間に基づいて算出された遅延時間により、 前記送受信手段で受信した反射波を 遅延させた後、 加算して信号を生成するのが好ましい。
また、 本発明に係る超音波計測装置は、 前記開口合成処理手段で生成された信号デ ータを表示する表示手段を有するのが好ましい。
また、 本発明に係る超音波計測装置において、 前記参照伝搬時間を以下のように算 出するのが好ましい：
超音波プローブの送受信面の全面を、 複数領域に分割し、
該分割された各領域と内部欠陥との間を送受信される超音波の波形を求め、 該波形を前記超音波プローブ全面について合成した波形から参照伝搬時間を算出 する。
また、 本発明に係る超音波計測装置において、 前記参照伝搬時間を以下のように算 出するのが好ましい：
予め、 人工的に作成した内部欠陥を有する被検体を用いて、 前記超音波プローブ が形成する焦点と前記被検体とを相対的に走査しつつ、 超音波を前記被検体に向けて 送信し、 前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信することに参照伝搬時間をより求 める。
また、 本発明に係る超音波計測装置において、 前記超音波プローブは、 集束型超音 波プローブであるのが好ましい。
また、 本発明に係る超音波計測装置において、 前記超音波プローブは、 複数の振動 子が配列されたアレイ型超音波プローブであるのが好ましい。 さらに、 本発明に係る 超音波計測装置は前記各振動子の信号を開口合成処理によつて焦点を形成して、 前記 各測定点で受信した信号とする信号処理手段を有するのが好ましい。
また、 本発明に係る超音波計測装置は、 前記開口合成処理手段で、 開口合成処理さ れた信号を用いて欠陥判定を行う欠陥判定手段を有するのが好ましい。 また、 本発明に係る超音波計測方法は、
超音波を前記被検体に向けて送信し、 前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信 する送受信ステップと、
前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、 送受信面の全 面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、 各測定 点で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理ステツプと、
を備えたものである。 発明の効果
本発明は、 超音波プローブが形成する焦点を前記被検体に对して相対的に走査しつつ 、 超音波を前記被検体に向けて送信し、 前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信す る送受信手段と、 前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、 送受信面の全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用 いて、 各測定点で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理手段とを備えてお り、 このため、 内部欠陥の計測分解能を向上させることができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態 1に係る超音波による内部欠陥の映像化装置の構成図 である。
図 2は、 本発明の等伝搬時間面の説明図である。
図 3は、 超音波伝搬解析により超音波伝搬時間を得るための処理方法を示したフ ローチャートである。
図 4 A〜図 4 Cは、 伝搬時間を得る方法の手順を示した説明図である。
図 5は、 等伝搬時間面を用意する際の処理方法を示したフローチャートである。 図 6は、 伝搬時間の変化量と等伝搬時間面との関係を示した説明図である。 図 7は、 等伝搬時間面のデータの例である。
図 8は、 欠陥像を合成する際め処理を示したフローチヤ一トである。
図 9は、 水伝搬時間と被検査体伝搬時間の説明図である。
図 1 0は、 1つの等伝搬時間面を用いて異なる伝搬時間での等伝搬時間面を描く 方法の説明図である。
図 1 1は、 映像化処理の説明図である。
図 1 2 〜図1 2 Cは、 本発明の実施例の効果を従来方法の結果とを対比して示 した図である。
図 1 3は、 本発明の実施形態 2における開口合成の説明図である。 図 1 4は、 本発明の実施形態 3に係る超音波による内部欠陥の映像化装置の構成 図である。
図 1 5は、 本発明の等伝搬時間面の説明図である。
図 1 6は、 超音波伝搬解析により超音波伝搬時間を得るための処理方法を示した フローチヤ一トである。
図 1 7は、 欠陥位置での超音波波形を取得するための処理方法を示したフローチ ヤートである。
図 1 8は、 アレイ型超音波プローブで受信し、 開口合成処理を行って出力波形を 取得するための処理方法を示したフローチャートである。
図 1 9は、 伝搬時間を得る方法の手順を示した説明図である。
図 2 0は、 等伝搬時間面を用意する際の処理方法を示したフローチャートである 図 2 1は、 伝搬時間の変化量と等伝搬時間面との関係を示した説明図である。 図 2 2は、 等伝搬時間面のデータの例である。
図 2 3は、 欠陥像を合成する際の処理を示したフローチャートである。
図 2 4は、 水伝搬時間と被検査体伝搬時間の説明図である。
図 2 5は、 1つの等伝搬時間面を用いて異なる伝搬時間での等伝搬時間面を描く 方法の説明図である。
図 2 6は、 映像化処理の説明図である。
図 2 7 A〜図 2 7 Cは、 本発明の実施例の効果を従来方法の結果とを対比して示 した図である。
図 2 8は、 本発明の実施形態 4において、 伝搬時間変化量のプロファイルから遅 延時間を構成して波形再合成を行う方法の説明図である。
図 2 9は、 線集束型リニアアレイ型超音波プローブを示した図である。
図 3 0は、 従来の開口合成方法の原理説明図である。
図 3 1は、 従来技術 （特許文献 3 ) における欠陥像合成方法の説明図である。 図 3 2は、 従来技術における超音波プローブと微小要素の経路を示す説明図であ 発明を実施するための形態
本発明者らは、 内部欠陥を髙分解能で計測する、 特に欠陥形状を数 1 0〜数 1 0 0 β m程度の分解能で計測するためには、
計測超音波振動子が大き 、集束型超音波プローブや開口合成処理に用いる超音波 振動子アレイ列の領域が大きいアレイ型超音波プローブを用いて、 焦点距離、 被検体 までの距離、 超音波プローブからの接触媒質換算距離が超音波プロープの送受信を行 う振動子領域のサイズに対して、 十分に長くない場合には、
従来技術では、 高分解能に計測を行うことができないとの知見を得た。
具体的には、 特許文献 3の実施例に示される条件 （焦点距離、 被検体距離、 接触媒 質換算距離が、 振動子領域 （送受信を行う振動子領域のサイズ） に対して約 8倍） で あれば、 特許文献 3の技術であっても分解能的には問題ない。 しかし、 その条件より も、 焦点距離、 被検体距離、 接触媒質換算距離の、 振動子領域に対する比が小さくな ると、 分解能が悪くなることがわかった。
なお、 接触媒質換算距離 Lとは、 下記式で表され、 超音波が複数の媒質中を伝搬す る場合、 超音波プローブと任意の位置 （例えば、 内部欠陥までの距離など） までの実 際の距離をプローブの振動子が接触している媒質での距離に換算して表す距離であり 、 換算は屈折を考慮して幾何学的に行う。 実質的には、 焦点距離と同等の値である。
L=L1+L2x (C2/C1) +L3x (C3/C1) +
ただし、 1^1 2ュ3 ''；媒質1，2, 3 " （媒質 1は接触媒質） 中の実際の伝搬距離、
C1，C2，C3, '"；媒質 1, 2，3,… (媒質 1は接触媒質) 中の音速 その分解能が悪くなる原因としては、 従来の方法では、 超音波の送受信は、 超音波 プローブの中で送受信を行う領域の中心の一点でなされていると仮定し、 その領域の 中心から微小要素までの伝搬時間を元に、 伝搬距離を算出し、 その伝搬距離を半径と する球面上に、 反射源 （内部欠陥） が存在する可能性があるとして、 開口合成を行つ ている。 しかしながら、 焦点距離、 被検体距離、 接触媒質距離の、 振動子領域に対す る比が小さくなつてくると、 内部欠陥と超音波プローブの中心までの距離と、 内部欠 陥と超音波プローブの中心以外の点 （中心周辺から端部までの領域） との距離とが異 なっている場合の差が、 伝搬距離に対して、 その比率が大きくなつてくる。 また、 超音波の送受信は、 超音波プローブの全面で行われ、 全面の各領域で受信し た信号の合成されたものが、 受信信号となっていると考えられる。 つまり、 従来の開 口合成処理は、 伝搬時間そのものが伝搬距離として、 超音波プローブ中心の一点から 、 その伝搬距離を半径として球面を描き、 それを反射源である欠陥の存在する可能性 のある位置としているので、 超音波プローブの中心以外の周辺領域における送受信の 影響を無視していることになるので、 上述のような条件では高分解能な計測が困難と なる。
よって、 焦点距離、 被検体距離、 接触媒質距離の、 振動子領域に対する比が小さく なるという条件で、 高分解能な計測を行うためには、 超音波プローブの中心以外の周 辺から端部までの領域における送受信の影響を考慮する必要があるとの知見を得たの である。
上述のように、 本発明は、 超音波プローブでは超音波の送受信が超音波プローブの 全面でなされている点に着目し、 超音波プロ一ブの位置と内部欠陥の位置によって、 内部欠陥からの反射波の伝搬時間がどのように変わるかを予め解析しておいて、 その 解析結果を用いた信号処理を行うことにより、 大口径、 短焦点の超音波プローブを用 いた採傷に開口合成法を組み合わせることが可能であるという知見に基づくものであ る。 その具体例を実施形態 1及び実施形態 2としてそれそれぞれ説明する。 実施形態 1 .
図 1は、 本発明の実施形態 1に係る超音波計測装置の一例である、 超音波映像化装 置の構成を示すプロック図である。
図 1において、 1は検查対象である被検体を示す。 この例では被検体 1は静止被検 体であり、 媒体は水を用いており、 液浸法を用いて内部欠陥のイメージングを行う。
1 0は集束ビームを送受信する集束型超音波プローブ （以下、 単に超音波プローブと もいう） であり、 送信回路 1 1からの一定周期の電気パルスにより超音波集束ビーム を被検体 1に向け送信するとともに、 被検体 1の表面及ぴ内部から.の反射波 （エコー ) を受信する。 受信された信号は、 受信増幅器 1 2により後の信号処理に都合のよい 適正レベルに増幅される。
なお、 送信回路 1 1及び受信増幅器 1 2は本発明の送受信手段に相当する。 超音波プ ロープ 1 0は、 適当な走査手段によって被検体 1上で 2次元走査 （x _ y走查） され 、 その位置は x方向位置検出手段 2 1及ぴ y方向位置検出手段 2 2によってそれぞれ 検出され、 反射波形データ部 1 3に送られる。 なお、 集束ビームを送受信する超音波 プローブ 1 0は、 曲面形状の送受信面をもつ 1つの超音波振動子で集束ビームを形成 する構成としてもよいし、 複数の超音波振動子を曲率を持たせて配列させ、 それによ つて集束ビームを形成する構成としてもよい。
反射波形データ部 1 3は、 受信増幅器 1 2、 X方向位置検出手段 2 1及び y方向位 置検出手段 2 2の出力に基づいて各位置 P i> .に対応した反射波形データを検出し、 そ の出力は欠陥像合成処理部 1 4に送られる。 欠 像合成処理部 1 4は、 本発明の開口 合成手段に相当するものであり、 超音波の伝搬時間を計測する。 送信パルスと被検体 表面での反射した表面エコー 5 1を受信するまでタイミングの差、 すなわち水伝搬時 間を、 表面エコー 5 1と欠陥エコー 5 2との受信タイミングの差、 すなわち超音波の 被検体伝搬時間を計測する。 なお、 被検体表面と超音波プローブ 1 0の走査面がほぼ 平行であれば、 水伝搬時間は一定と考えてよいので、 水伝搬時間を 1回測定 （あるい は、 配置関係からもとめてもよい） しておけば、 以降は表面エコー 5 1と欠陥エコー 5 2との受信タイミングの差である被検体伝搬時間のみを測定すればよい。 計測され た各伝搬時間 （'以下、 測定伝搬時間という） は、 このときの超音波プローブ 1 0の中 心の位置 ( i ： X方向の位置、 j ： y方向の位置） と対応付けて記録される。 また、 等伝搬時間面データ部 1 5には、 記憶装置から構成されており、 例えば超音 波伝搬解析によって予め求めておいた等伝搬時間面のデータを保存しておくものとす る。 この等伝搬時間面とは、 図 2に示されるように、 プローブの表面からその点にあ る微小欠陥までの往復の伝 ¾時間が等しくなるような点を結んで作られた面である。 この等伝搬時間面は、 超音波プローブ 1 0の被検体表面までの距離おょぴ被検体表面 からの欠陥の深さによつて変化するため、 欠陥の深さ毎の複数の等伝搬時間面のデー タを用意する。
本実施形態 1では、 欠陥像合成処理に先立ち超音波伝搬解析による等伝搬時間面の 作成を行う。 なお、 本発明はこれに限るものではなく、 等伝搬時間面の作成は欠陥像 合成中に行ってもよい。
図 2に示されるような等伝搬時間面の作成が必要であるが、 その一例として超音波 伝搬解析による伝搬時間の算出手順を、 図 3のフローチヤ一ト及ぴ図 4の説明図に基 づいて説明する。 図 3は、 超音波伝搬解析により超音波伝搬時間 （以下、 参照伝搬時間という） を得 る方法のフローチャートであり、 図 4は、 参照伝搬時間を得る方法の手順を示した説 明図である。 ここで、 図 4では簡単のためプローブや経路を 2次元で表しているが、 本実施形態 1においては、 プローブや経路は 3次元空間中にあるとして解析を行って いる。 但し、 本発明はこれに限るものではなく 2次元上で処理を行ってもよい。
(S 1) 超音波プローブ表面を微小面積の領域 （以下、 微小要素という） に分ける。
(S 2) 微小要素から送信される超音波波形を設定する。
(S 3) 超音波プローブの表面上の各領域から、 予め設定された微小欠陥 （本発明の 設定内部欠陥に相当する） までの経路を求める。 図 4の上段では、 4つの領域 A— D についてその経路を示している。 ここでは微小要素の中心において、 点で送受信がさ れるものとして経路を求める。 なお、 A— Dは、 説明のために、 微小要素の一部を示 したものである。
(S 4) 1つの領域から送信された超音波が経路を伝搬して微小欠陥に到達したとき の波形を求める。 このとき経路上を伝搬するときの伝搬時間と減衰を考慮する。
(S 5) 図 4の中段のようにして、 順に、 上記の （S 4) の計算を全ての微小要素 （ 図では、 A〜Dを順番に） に対して行い、 順次求められた波形を足し合わせる。
(S 6) 全ての領域に対して計算を行うまで、 上記の （S 4) 及び （S 5) の処理を 繰り返し、 全ての領域に対しての計算が終了すると、 処理 （S 7) に移行する。
(S 7) 上記の （S 5) で得られた波形の超音波を微小欠陥から出射させる。
(S 8) そして、 このとき 1つの領域で受信される波形を求める。
(S 9) 得られた超音波波形を足し合わせる。
(51 0) 図 4の下段のようにして、 上記の （S 8) 及ぴ （S 9) の計算を全ての領 域に対して行うまで繰り返す。
(51 1) 上記の （S 9) で得られた合成波形から到達時刻を読み取る。 このとき、 時刻を読み取る方法は、 閾値を設定して立ち上がり時刻を取得する、 同様に閾値を取 得して立下り時刻を取得する、 波形がピーク値となる時刻を取得するなどがあり、 こ の中から適切な方法を選ぶ。
(51 2) プローブからの出射時刻と到達時刻との差から伝搬時間を求める。 このと き、 Bき刻を読み取る方法は、 閾値を設定して立ち上がり時刻を取得する、 同様に閾値 を取得して立ち下り時刻を取得する、 波形がピーク値となる時刻を取得するなどがあ り、 この中から適切な方法を選ぶ。
次に、 前記の方法を用いて等伝搬時間面のデータを準備する方法を説明する。 図 5 はその方法を示したフローチャートである。 この手順を以下に示す。
( S 2 1 ) 水距離 （図 4の上段参照） を設定する。
( S 2 2 ) 被検体距離 （図 4の上段参照） を設定する。
( S 2 3 ) 被検体内部欠陥とプローブ中心軸とのずれ （図 4上段参照） を設定する。 ( S 2 4 ) 参照伝搬時間を計算する （図 3のフローチャート参照） 。
( S 2 5 ) 欠陥信号を受信し得る範囲でプローブ中心軸とのずれを変化させ、 等伝搬 時間面を作成するのに十分なデータが得られるまで、 上記の （S 2 3 ) ( S 2 4 ) の 操作を繰り返す。 なお、 被検体とプローブ中心軸とのずれを 1回に変化させる量 （移 動ピッチ） は、 例えば、 測定に要求される空間分解能程度以下とするのがよく、 内部 欠陥からの信号が得られる範囲までプローブを移動させればよい。
( S 2 6 ) 上記の （S 2 3 ) ( S 2 4 ) ( S 2 5 ) で得られたプローブ中心軸とのず れと参照伝搬時間の変化量との関係から、 超音波の伝搬速度を用いて参照伝搬時間が 等しくなる位置を求めて、 それらの位置を結んで、 等伝搬時間面のデータを作成する 。 例えば、 被検体内部欠陥とプローブ中心軸とのずれが 0のときを基準として、 プロ ーブ中心軸の各位置における参照伝搬時間の差から伝搬速度を用いて深さ方向の距離 の差を求めて、 その距離の差から深さ位置を求めればよい。 等伝搬時間面のデータは 、 図 6に示されるように、 結果として参照伝搬時間の増減を打ち消すように微小欠陥 の深さを調整することにより得られることになる。 このとき、 本実施形態 1において は、 参照伝搬時間及ぴ等伝搬時間面はプローブ中心軸とのずれが 0のときの値との差 として求めている。 なお、 上記等伝搬時間面の算出手順は、 一例であり、 これに限定 されない。 例えば、 プローブ中心軸の位置に加えて、 内部欠陥深さも変数として、 複 数の内部欠陥深さにおいて参照伝搬時間を求めて、 その結果から参照伝搬時間が等し くなる位置を結んで、 等伝搬時間面としてもよい。 また、 計算で求めてもよいし、 実 験により求めてもよい。
( S 2 7 ) 必要となり得る （例えば、 測定対象において想定し得る） 全ての水距離、 被検体距離に対応する等伝搬時間面が揃うまで上記の （S 2 1 ) から （S 2 6 ) まで の操作を繰り返す。
上記の方法により、 必要となり得る全ての水距離、 被検体距離における等伝搬時間 面が準備できる。 但し本発明における等伝搬時間面の作成方法は前記の超音波伝搬解 析を用いた等伝搬時間面の作成方法に限るものではなく、 他の解析方法を用いても良 いし、 実験により求めても良い。
図 7は、 上記のようにして求められる等伝搬時間面のデータの一例であり、 これは 図 1の等伝搬時間面データ部 1 5に格納されて、 欠陥像合成処理部 1 4において欠陥 像を合成する際に用いられる。 なお、 図 7において、 計測時に計測した伝搬時間と比 較参照する参照伝搬時間は、 プローブ中心とのずれが 0の欄に該当する伝搬時間であ る。
次に、 上記のように求めた等伝搬時間面を用いて計測を行う、 図 1の超音波映像化 装置の動作を説明する。
図 8は、 図 1の超音波映像化装置において欠陥像を合成する際の処理を示したフロ 一チヤ一トである。
( S 3 1 ) 超音波プローブ 1 0を操作して Cスキャン探傷を行い、 反射波形データ部 1 3は、 受信増幅器 1 2、 X方向位置検出手段 2 1及び y方向位置検出手段 2 2の出 力に基づいて、 各位置 に対応した反射波形データを検出する。
( S 3 2 ) 欠陥像合成処理部 1 4は、 反射波形データの中で欠陥エコーの最も大きい P での反射波形から、 図 9に示されるように、 水伝搬時間と被検体伝搬時間を検出 し、 それらの測定伝搬時間から水距離，被検体距離 (欠陥深さ) を取得する。
( S 3 3 ) 欠陥像合成処理部 1 4は、 等伝搬時間面データ部 1 5に格納されて用意し てある等伝搬時間面のデータ （図 7参照） のなかで水距離 ·被検体距離が上記の （S 3 2 ) で得られた水距離.被検体距離と近いものを選択する。 本実施形態 1において は、 図 1 0に示されるように、 ここで選んだ 1つの等伝搬時間面形状データのみを用 いて以後の処理を行う。 なお、 図 1 0においては、 1つの等伝搬時間面データを用い て異なる参照伝搬時間での等伝搬時間面を描く （求める） 方法を示したものであり、 参照伝搬時間 T 2の等伝搬時間面データに対して、 参照伝搬時間が異なっている場合
( T l、 Τ 3 ) においても、 誤差が大きくなければ、 深さ位置を変えるだけで、 参照 伝搬時間 Τ 2の等伝搬時間面と同じ形状の等伝搬時間面を利用することができる。 こ の場合には、 1個の等伝搬時間面のデータがあれば足りることになる。 なお、 検出対 象となる内部欠陥の存在する深さ範囲が広く、 等伝搬時間面が同じ形状として扱えな い場合には、 計測した伝搬時間に対応する参照伝搬時間を参照して、 対応する等伝搬 時間面のデータを用いればよい。
(S 34) 欠陥像合成処理部 14は、 上記の （S 3 3) で選択した等伝搬時間面のデ ータを用いて映像化処理を行う。 本実施形態 1における映像化処理方法を図 1 1に示 す。 ここで、 図 1 1においては簡単のため 2次元で記述しているが、 本実施形態 1に おいては 3次元的に処理を行っている。 但し、 本発明はこれに限定されるものではな く 2次元で処理を行ってもよい。 本実施形態 1における映像化処理方法の手順を以下 に示す。 なお、 欠陥像合成処理部 14は、 図 1 1の構成に相当する画像メモリを保有 しているものとする。
( a ) 各位置 P のなかで欠陥ェコ一が検出できているプローブ中心位置 P i, jについ て、 図 1 1のように伝搬時間 （以下、 測定伝搬時間ともいう） を検出する。
(b) 被検体 1中で欠陥が存在し得る領域を微小体積要素にわけ、 それぞれの微小体 積要素に 3次元のア ドレス P , (k： X方向の位置， 1 ： y方向の位置， m : Z 方向の位置） をつける。
(c) 各位置 での測定伝搬時間から水距離と被検体距離を算出し、 欠陥がプロ一 ブ中心軸上にあつたと仮定したときの欠陥位置 （深さ） を算出し、 その欠陥位置に対 応する Ρ ί を図 1 1のように測定伝搬時間に対応する等伝搬時間面の中心として 設定する。
(d) 上記の （c) で設定された等伝搬時間面の中心から等伝搬時間面 （図 1 0参照 ) を形成し、 その等伝搬時間面の位置に対応する各微小要素 P に対し、 P fw^ に設けた力ゥンタ Ck,^にカウント 1を加算する。
(e) 上記の （c) 、 （d) の操作を、 欠陥エコーが検出できている全ての位置 P^. について行う。
(S 35) 上記の （S 34) で得られたデータを映像化する。 本実施形態 1における 映像化の方法は以下に示すとおりであ,る。
(a) 全 （k， 1 ) に対し、 それぞれ （k， 1 ) を固定したときの Ck, の最大値 Cnax (k, 1 ) を求める。
(b) Cmax (k, 1 ) が閾値以上になる各 （k， 1 ) に対し、 別の閾値を決めてカウ ンタ Ck,^を mの小さい側からチェックしていったときに初めて閾値以上となる mを m (k, 1 ) とする。
(c) 上記の （b) で得られた m (k, 1 ) を用い、 各 （k， 1 , m (k, 1 ) ) に 対応する各微小要素の隣り合う中心同士を線で結んでポリゴンを構成する。
(d) 上記の （c) で得られたポリゴンを 3次元表示する。
なお、 映像化方法は前記のような 3次元ポリゴン表示方法に限るものではなく、 そ の他の 3次元表示方法や 2次元表示方法であってもよい。
ここで、 周波数 50MHz、 送受信子直径 6mm、 水中焦点距離 1 5 mmの超音波 プロ プを用い、 鋼片サンプルに直径 300 /zmの人工穴を空けて、 その穴を図 1 2 (a) のように Cスキャン探傷し、 前記欠陥像合成方法で映像化して欠陥像表示装置 1 6に表示した例を図 1 2 (b) に示す。 図 1 2 (c) は上記の特許文献 3記載の方 法で映像化処理を行い、 前記欠陥像合成法 （S 35) の方法で 3次元表示した図であ る。 この実施例では、 水中焦点距離、 接触媒質換算距離 Lが、 振動子領域 （振動子径 ) の約 2. 5である。 図 1 2 (c) では人工穴の映像が z方向に平らになっているの に対して、 図 1 2 (b) では人工穴の曲面が再現されていて、 形状の分解能が向上し. ていることがわかる。
なお、 上記の説明では、 欠陥像合成方法で映像化し欠陥像表示装置 1 6に表示する 例について説明したが、 本実施形態 1においては、 それに加えて、 欠陥判定装置 1 7 が、 欠陥像合成処理部 14により開口処理された上記の信号に基づいて欠陥判定を行 う。 また、 欠陥判定をするだけであれば、 合成結果を映像化し表示する欠陥像表示装 置 1 6は必ずしもなくてもよく、 欠陥像合成処理部 14カゝらの合成結果を欠陥判定装 置 1 7が入力し、 その判定結果のみを出力するような構成にしてもよい。 逆に、 欠陥 自動判定をしなければ、 欠陥判定装置 1 7はなくてもよい。
上述したように、 本実施形態 1においては、 集束型超音波プローブ 1 0と被検体 1 との間に水を介在させ、 集束型超音波プローブ 1 0を被検体 1に対して相対的に走査 しつつ、 超音波を被検体 1に向けて送信し、 被検体 1の内部欠陥からの反射波を受信 する送信回路 1 1 ·受信増幅器 1 2 (送受信手段） と、 各測定点において、 反射波に 基づいて内部欠陥までの伝搬時間を測定する反射波形データ部 1 3 (伝搬時間測定手 段） と、 該測定した伝搬時間に対応する等伝搬時間面データを用いて欠陥候補の位置 を抽出する欠陥像合成処理部 14 (欠陥位置抽出手段） と、 前記位置毎に、 走査を行 つた間に抽出された回数を算出して、 表示用画像メモリの位置に対応するァドレスに 、 算出した回数を書き込んで、 画像表示を行う欠陥像表示装置 1 6 (表示手段） とを 備えた内部欠陥の超音波映像化装置であって、 欠陥像合成処理部 14 (欠陥位置抽出 手段） において、 前記等伝搬時間面データは、 前記集束型超音波プローブ 1 0と設定 内部欠陥との間を伝搬する超音波の伝搬時間を、 前記集束型超音波プローブ 1 0の送 受信面の全面を複数領域に分割し、 該分割された各領域と設定内部欠陥との間を送受 信される超音波の波形を求め、 該波形を前記集束型超音波プローブ 1 0の全面につい て合成した信号波形から算出するようにして、 集束型超音波プローブ 1 0と設定内部 欠陥との相対位置に対する伝搬時間の変化量を求めて、 伝搬時間の変化量に基づいて 伝搬時間が等しくなる位置を結んで形成したデータを求めており、 このデータによつ て内部欠陥の形状を髙分解能で映像化することが可能になっている。 実施形態 2 .
本実施形態 2は、 図 1の欠陥像合成処理部 1 4を上記の演算処理とは異なった処理 をするようにした例である。 本実施形態 2の欠陥像合成処理部 1 4は、 上記の等伝搬 時間面データに代えて、 遅延時間データを用いる。 このため、 等伝搬時間面データ部 1 5に代えて、 遅延時間データが格納される記憶装置 （図示せず） が設けられる。 こ の遅延時間データ （遅延時間群） は、 伝搬時間の変化量データ （図 6の変換を行う前 のデータ） から求めるものであり、 図 1 3の概念図に示されるように、 伝搬時間の変 化量データが長いほど遅延時間を小さく、 変化量データが短いほど遅延時間を大きく したデータである。 等伝搬時間面データと同様にして、 水距離 ·欠陥深さの各値に対 応して求められて記憶装置に記憶されている。
欠陥像合成処理部 1 4は、 図 8に示されるフローチャートのうち、 等伝搬時間面選 択の処理 （S 3 3 ) とデータ映像化処理 （S 3 4 ) の具体的内容が異なるが、 それ以 外の処理は同じである。
等伝搬時間面選択の処理 （S 3 3 ) は、 遅延時間データ選択処理になる。 具体的に は、 超音波プローブで測定した受信波形の水距離 ·欠陥深さに対応する、 遅延時間デ ータ （遅延時間群） を選択する処理を行う。
データ映像化処理 （S 3 4 ) は、 その遅延時間データ選択処理で選択した遅延時間 データを用いて、 図 1 3のように開口合成処理を行う。
具体的には、 プローブ走査した多数点のうち、 隣接した所定数のプローブ位置 （図 2 9の例では 1 0点） を選択し、 その 1 0点で測定した反射波形データに対し、 選択 した遅延時間データ （遅延時間群） に対応して、 各プローブ位置に波形を遅延処理を する。 図 1 3に示される場合においては、 外側のプローブに信号には遅延時間を小さ くし、 内側のプローブには遅延時間を大きくしている。 これによつて、 所定数のプロ —ブのうち、 その中心に位置するプローブの下に欠陥があれば、 欠陥波形が揃うこと により、 欠陥信号が強調されて、 欠陥の存在を検知できる。 一方、 中心に位置するプ ロープの下に欠陥が無ければ、 例えば、 外側のプローブの直下に欠陥があれば、 各プ ローブで受信した欠陥の信号は、 遅延しても位相が揃わないので、 相殺され、 強調さ れずに、 欠陥信号を検出できない。 つまり、 中心に位置するプローブの直下には欠陥 が無い、 ということになる。
このような処理を多数点測定したデータに対して、 選択範囲を移動させながら順に 所定数のデータを選択して、 繰り返すことにより開口合成波形を得る。 そして、 遅延 時間データ （遅延時間群） を選択する際には、 複数の深さに対応した遅延時間データ (遅延時間群） をそれぞれ選択して、 上記の演算処理を繰り返す。 そして、 得られた 波形を適当な方法 （Aスコープ、 Bスコープ、 Cスコープ、 三次元表示） で表示する なお、 本実施形態 2も、 欠陥像合成方法で映像化し欠陥像表示装置 1 6に表示する 例について説明したが、 それに加えて、 欠陥判定装置 1 7が、 欠陥像合成処理部 1 4 により開口処理された上記の信号に基づいて欠陥判定を行う。 また、 欠陥判定をする だけであれば、 合成結果を映像化し表示する欠陥像表示装置 1 6は必ずしもなくても よく、 欠陥像合成処理部 1 4からの合成結果を欠陥判定装置 1 7が入力し、 その判定 結果のみを出力するような構成にしてもよい。 逆に、 欠陥自動判定をしなければ、 欠 陥判定装置 1 7はなくてもよい。
上述したように、 本実施形態 2においては、 集束型超音波プローブ 1 0と被検体 1 との間に水を介在させ、 集束型超音波プローブ 1 0を被検体 1に対して相対的に走査 しつつ、 超音波を被検体 1に向けて送信し、 被検体 1の内部欠陥からの反射波を受信 する送信回路 1 1 ·受信増幅器 1 2 (送受信手段） と、 該受信した反射波を遅延させ たのち加算して信号を生成する欠陥像合成処理部 1 4 (信号生成手段） と、 該生成さ れた信号データを画像メモリに出力して表示する欠陥像合成処理部 1 4 (表示手段） とを備えた内部欠陥の超音波映像化装置であって、 欠陥像合成処理部 1 4 (信号生成 手段） において、 集束型超音波プローブ 1 0と設定内部欠陥との間を伝搬する超音波 の伝搬時間を、 集束型超音波プローブ 1 0の送受信面の全面を複数領域に分割し、 該 分割された各領域と設定内部欠陥との間を送受信される超音波の波形を求め、 該波形 を前記集束型超音波プローブ 1 0の全面について合成した信号波形から算出するよう にして、 集束型超音波プローブ 1 0と設定内部欠陥との相対位置に対する伝搬時間の 変化量を求めて、 該伝搬時間の変化量から遅延時間を求め、 該遅延時間により反射波 を遅延して内部欠陥の映像信号を生成するようにしたことにより、 内部欠陥を高分解 能で映像化することができる。 次に、 本発明をアレイ型超音波プローブに適用した実施形態を説明する。
下記の実施形態 3、 4では、 実施形態の 1、 2の集束型超音波プローブを走査して 、 各測定点の受信信号を得るのに代えて、 アレイ型超音波プローブの各振動子の信号 を開口合成処理により焦点を形成して各測定点での受信信号とするものである。 そし て、 その各測定点での受信信号を、 更に開口合成処理するものである。 つまり、 実施 形態 1及ぴ 2と同様に、 アレイ型超音波プローブでは超音波の送受信が複数の振動子 のアレイ列でなされている点に着目し、 アレイ型超音波プロープが開口合成または集 束によって形成する焦点の位置と内部欠陥の位置によって、 内部欠陥からの反射波の 伝搬時間がどのように変わるかを予め解析しておいて、 その解析結果を用いた信号処 理を行うことにより、 超音波振動子ァレイ列全体の面積が大きく焦点距離が短いプロ 一ブ及ぴ開口合成の設定を用いた探傷の分解能を向上させることが可能であるという 知見に基づくものである。 その具体例を実施形態 3及ぴ実施形態 4としてそれぞれ説 明する。 実施形態 3 .
図 1 4は本発明の実施形態 3に係る超音波計測装置の一例である、 超音波映像化装 置の構成を示すブロック図である。 図 1 4において、 1は検査対象である被検体を示 す。 この例では被検体 1は静止被検体であり、 媒体は水を用いており、 液浸法を用い て内部欠陥のイメージングを行う。 1 0は超音波を送受信するアレイ型超音波プロ一 ブであり、 送信回路 1 1 1からの一定周期の電気パルスが駆動素子選択回路 1 1 2を 通り各振動子に送信される電気信号により超音波ビームを被検体 1に向け送信すると ともに、 被検体 1の表面及び内部からの反射波 （エコー） を受信する。 受信された信 号は、 受信回路 1 1 3及びアレイ信号処理回路 1 1 4により、 開口合成処理が行われ 、 また、 後の信号処理に都合のよい適正レベルに増幅される。 アレイ型超音波プロ一 ブ 1 0 aは、 適当な走査手段によって被検体 1上で 2次元走査 （X— y走査） または 1次元走査 （y走查） され、 その位置は X方向位置検出手段 2 1及び y方向位置検出 手段 2 2によってそれぞれ検出され、 出力波形データ部 1 1 5に送られる。
出力波形データ部 1 1 5は、 アレイ信号処理回路 1 1 4、 X方向位置検出手段 2 1 及び y方向位置検出手段 2 2の出力に基づいてこのときのアレイ型超音波プローブ 1 0 aが開口合成によって形成する焦点 P i, j ( i ： x方向の位置、 〗 ： y方向の位置 ) に対応した出力波形データ （実施形態 1， 2における集束型超音波プローブの出力 波形データに相当） を検出し、 その出力は欠陥像合成処理部 1 1 6に送られる。 欠陥 像合成処理部 1 1 6は、 送信時刻と欠陥エコー 5 2の受信時刻の差、 すなわち超音波 の伝搬時間を計測する。 ここで計測される伝搬時間は、 送信時刻と被検体表面での反 射した表面エコー 5 1の受信時刻の差、 すなわち水伝搬時間と、 表面エコー 5 1と欠 陥エコー 5 2との受信タイミングの差、 すなわち超音波の被検体伝搬時間である。 な お、 被検体表面とアレイ型超音波プローブ 1 0 aの走査面がほぼ平行であれば、 水伝 搬時間は一定と考えてよいので、 水伝搬時間を 1回測定 （あるいは、 配置関係からも とめてもよい） しておけば、 以降は表面エコー 5 1と欠陥エコー 5 2との受信タイミ ングの差である被検体伝搬時間のみを測定すればよい。 計測された各伝搬時間 （以下 、 測定伝搬時間ともいう） は、 各位置 P i, jと対応付けて記録される。
また、 等伝搬時間面データ部 1 1 7は記憶装置であり、 例えば超音波伝搬解析によ つて予め求めておいた等伝搬時間面のデータを保存しておくものとする。 この等伝搬 時間面とは、 図 1 5に示されるように、 開口合成によって得られる、 その点にある微 小欠陥までの往復の伝搬時間が等しくなるような点を結んで作られた面である。 この 等伝搬時間面は、 アレイ型超音波プローブ 1 0 aの焦点に対する欠陥の深さによって 変化するため、 欠陥の深さ毎の複数の等伝搬時間面のデータを用意する。 なお、 上記 の出力波形データ部 1 1 5、 欠陥像合成処理部 1 1 6及び等伝搬時間面データ部 1 1 7は、 欠陥像再構成信号処理部 2 0 0を構成している。
なお、 アレイ信号処理回路 1 1 4と欠陥像合成処理部 1 1 6は、 ともに開口合成処 理を行うという点で同じ機能を有するが、 アレイ信号処理回路 1 1 4は、 各測定点で アレイ型超音波プローブの各振動子が受信した信号に対して、 開口合成処理を行うも のであり、 これにより各測定点で、 集束ビームによって受信した信号を得るものであ り、 請求項 9に記載された信号処理手段 （前記各振動子の信号を開口合成処理によつ て焦点を形成して、 前記各測定点で受信した信号とする信号処理手段） に対応する。 一方、 欠陥像合成処理部 1 1 6は、 各測定点で、 このアレイ信号処理回路 1 1 4で開 口合成処理された信号を、 開口合成処理をして欠陥像を合成するものである。 この欠 陥像合成処理部 1 1 6では、 本発明の等伝搬時間面データが必須であるが、 アレイ信 号処理回路 1 1 4では、 振動子が小さいので、 本願発明の等伝搬時間面データを用い なくても、 従来法の合成開口処理 （振動子中心から等距離に反射源が存在して极ぅ） を用いればよい。
また、 アレイ型超音波プローブ 1 0 aは、 送受信する領域範囲に含まれる各振動子 を全て行うとして説明したが、 全てでなくても、 1つ間隔や 2つ間隔などで隙間をあ けて送受信をする振動子を選択して、 それを用いて送受信を行うようにしてもよい。 本実施形態 3では、 欠陥像合成処理に先立ち超音波伝搬解析による等伝搬時間面の 作成を行う。 なお、 本発明はこれに限るものではなく、 等伝搬時間面の作成は欠陥像 合成中に行ってもよい。
図 1 5に示されるような等伝搬時間面の作成は、 超音波伝搬解析による伝搬時間 W (参照伝搬時間という） の算出により行うことができる。 これを図 1 6、 図 1 7、 図 1 8のフローチャ^"ト及ぴ図 1 9の説明図に基づいて説明する。
図 1 6は、 超音波伝搬解析により参照伝搬時間を得る方法全体のフローチヤ一トで あり、 図 1 7は、 図 1 6の処理 S 4 3 (欠陥位置での超音波波形取得） の詳細を示す フローチャートであり、 図 1 8は、 図 1 6の処理 S 4 4 (アレイプローブで受信し、 開口合成処理を行った超音波波形取得） の詳細を示すフローチャートであり、 図 1 9 は、 参照伝搬時間を得る方法の手順を示した説明図である。 ここで、 図 1 9ではリニ ァアレイプローブにおける 2次元上の解析を示している。 但し、 本発明はこれに限る ものではなく、 アレイプローブの形状はリニアでなくてもよいし、 解析は 3次元上で 行ってもよい。
( S 4 1 ) 振動子から送信される超音波波形を設定する。
( S 4 2 ) 超音波プローブの各振動子から、 予め設定された微小欠陥 （本発明の設定 内部欠陥に相当する） までの経路を求める。 図 1 9の上段では、 2つの振動子につい てその経路を示している。
( S 4 3 ) 欠陥位置での超音波波形を取得する。 (S 43) の詳細な処理としては、 図 1 7のフローチャートに示されるように次の処 理を行う。
(S 43- 1) 出力用超音波波形データの初期化
(S 43- 2) 計算する振動子を決定
(S 43 -3) 計算している振動子による微小欠陥位置での超音波波形を計算する。 このとき振動子によって送信のタイミングが違う場合は、 図 1 9のように振動子に対 応した時刻に送信されるよう設定する。 また、 経路上を伝搬するときの伝搬時間と減 衰を考慮する。 （図 1 9参照）
(S 43-4) 得られた超音波波形を、 順に出力用超音波波形データに足し合わせる
(S 43— 5) 送信に使用している全ての振動子に対して計算を行うまで、 （S 43 — 2) から （S 43— 4) までを繰り返す。
(S 43-6) 出力用超音波波形データを欠陥位置での超音波波形として出力 このような図 1 7の処理の後、 図 1 6の処理 （S 44) に移行する。
(S 44) アレイプローブで受信し、 開口合成処理を行った出力波形を取得する。
(S 44) の詳細としては、 図 1 8のフローチャートに示されるように次の処理を行 5
(S 44- 1) 欠陥位置での超音波波形を微小欠陥位置から出射
(S 44-2) 受信に使用する全振動子の受信波形データを初期化
(S 44-3) 計算する振動子を決定
(S 44— 4) 計算している振動子で受信される超音波波形を計算 （図 1 9参照） (S 44- 5) 受信に用いる全ての振動子に対して計算を行うまで、 （S 44— 3) から （S 44— 4) までを繰り返す。
(S 44-6) 集束ビーム処理後の出力波形データを初期化
(S 44— 7) 全振動子の受信波形データに、 実際の集束ビーム処理に即した遅延処 理を行う （図 1 9参照） 。
(S 44-8) 遅延処理を行った全振動子の受信波形データをそれぞれ出力波形デー タに足し合わせる （図 1 9参照） 。
このような図 1 8の処理の後、 図 1 6の処理 （S 45) に移行する。
(S 45) 上記の （S 44) で得られた出力波形から到達時刻を読み取る。 このとき 、 時刻を読み取る方法は、 閾値を設定して立ち上がり時刻を取得する、 閾値を設定し て立下り時刻を取得する、 波形がピーク値となる時刻を取得するなどがあるが、 特に 限定されず得られた波形等に応じて適宜適切な方法を使用する。
(S 46) プローブからの出射時刻と到達時刻との差から参照伝搬時間を求める。 このとき、 時刻を読み取る方法は、 閾値を設定して立ち上がり時刻を取得する、 同様 に閾値を取得して立ち下り時刻を取得する、 波形がピーク値となる時刻を取得するな どがあり、 この中から適切な方法を選ぶ。
次に、 前記の方法を用いて等伝搬時間面のデータを準備する方法を説明する。 図 20はその方法を示したフローチャートである。 この手順を以下に示す。
(S 5 1) 水距離 （図 1 9の上段参照） を設定する。
(S 5 2) 被検体距離 （図 1 9の上段参照） を設定する。
(S 5 3) 開口合成焦点深さ （例えば、 被検体内での深さ位置、 図 1 9の上段参照） を設定する。
(S 54) 被検体内部欠陥と開口合成焦点とのずれ （深さ方向に直交する面内） を設 定する。
(S 55) 開口合成処理した波形から参照伝搬時間を計算する （図 1 6、 図 1 7及ぴ 図 1 8のフローチャート参照） 。
(S 56) 欠陥信号を受信し得る範囲で開口合成焦点との深さ方向に直交する面内の ずれを変化させ、 等伝搬時間面を作成するのに十分なデータが得られるまで、 上記の 処理 （S 54) (S 55) の操作を繰り返す。 なお、 被検体と開口合成焦点とのずれ を 1回に変化させる量 （移動ピッチ） は、 例えば、 測定に要求される空間分解能程度 以下とするのがよく、 内部欠陥からの信号が得られる範囲までプローブを移動させれ ばよい。
(S 5 7) 上記の処理 （S 54) (S 55) (S 56) で得られた被検体と開口合成 焦点との深さ方向に直交する面内のずれに対する参照伝搬時間の変化量の関係から、 超音波の伝搬速度を用いて参照伝搬時間が等しくなる位置を求めて、 それらの位置を 結んで、 等伝搬時間面のデータを作成する。 例えば、 被検体内部欠陥と開口合成焦点 とのずれが 0のときを基準として、 プローブ中心軸の各位置における参照伝搬時間の 差から伝搬速度を用いて深さ方向の距離の差を求めて、 その距離の差から深さ位置を 求めればよい。 等伝搬時間面のデータは、 図 2 1に示されるように、 結果として参照 伝搬時間の増減を打ち消すように微小欠陥の深さを調整することにより得られること になる。 このとき、 本実施形態 3においては、 参照伝搬時間及び等伝搬時間面は開口 合成焦点軸とのずれが 0のときの値との差として求めている。 なお、 上記等伝搬時間 面の算出手順は、 一例であり、 これに限定されない。 例えば、 開口合成焦点の位置に 加えて、 内部欠陥深さも変数として、 複数の内部欠陥深さにおいて参照伝搬時間を求 めて、 その結果から参照伝搬時間が等しくなる位置を結んで、 等伝搬時間面としても よい。
( S 5 8 ) 必要となり得る （例えば、 測定対象において想定し得る） 全ての水距離 、 被検体距離および開口合成焦点深さに対応する等伝搬時間面が揃うまで上記の （S 5 1 ) から （S 5 7 ) までの操作を繰り返す。
上記の方法により、 必要となり得る全ての水距離、 被検体距離および開口合成焦点 深さにおける等伝搬時聞面が準備できる。 但し、 本発明における等伝搬時間面の作成 方法は前記の方法に限るものではなく、 実測定によるデータや超音波伝搬シミュレ一 シヨンを利用しても良い。 また、 参照伝搬時間の計算方法は図 1 6、 図 1 7、 図 1 8 及ぴ図 1 9で示された方法に限るものではない。
また、 各振動子の面積が、 被検体に対して十分に大きい場合には、 さらに振動子を 複数の微小領域に分割し、 各微小領域の信号を各振動子単位で加算することで処理す れば良い。
また、 アレイ列方向と直交方向 （図 2 0の紙面奥行き方向） に面積が大きい場合に も、 その直交方向に微小領域に分割して、 行えば良い。 （例えば図 1 7のようなプロ ープで、 Y方向に対して複数に分割する。 ）
また、 振動子が 1次元方向にのみ配列された例で説明したが、 2次元に配列された アレイ型プローブでも、 適用可能である。
図 2 2は、 上記のようにして求められる等伝搬時聞面のデータの例であり、 これは 図 1 4の等伝搬時間面データ部 1 1 7に格納されて、 欠陥像合成処理部 1 1 6におい て欠陥像を合成する際に用いられる。 なお、 図 2 2において、 計測した伝搬時間と比 較参照する参照伝搬時間は、 開口合成焦点とのずれが 0の欄に該当する伝搬時間であ る。
次に、 上記のように求めた等伝搬時間面のデータを用いて計測を行う、 図 1 4の超 音波映像化装置の動作を説明する。 図 2 3は、 図 1 4の超音波映像化装置において欠陥像を合成する際の処理を示した フローチヤ一トである。
( S 6 1 ) アレイ型超音波プローブ 1 0 a、 駆動素子選択回路おょぴアレイ信号処理 回路を操作して開口合成によつて形成する焦点を走査しながら探傷を行い、 出力波形 データ部 1 1 5は、 駆動素子選択回路 1 1 2、 受信回路 1 1 3、 アレイ信号処理回路 1 1 4、 X方向位置検出手段 2 1及び y方向位置検出手段 2 2の出力に基づいて、 各 位置 P i， jに対応した出力波形データを検出する。
( S 6 2 ) アレイ信号処理回路 1 1 4または欠陥像合成処理部 1 1 6は、 出力波形デ 一タの中で欠陥ェコ一の最も大きい P i, jでの反射波形から、 図 2 4に示されるよう に、 水伝搬時間と被検体伝搬時間を検出し、 それらの伝搬時間から水距離 ·被検体距 離 （欠陥深さ） を取得する。
( S 6 3 ) 欠陥像合成処理部 1 1 6は、 等伝搬時間面データ部 1 1 7に格納されて用 意してある等伝搬時間面のデータ （図 2 2参照） のなかで水距離 ·被検体距離と開口 合成焦点深さの設定値が上記の （S 6 2 ) で得られた水距離 ·被検体距離、 開口合成 焦点深さと近いものを選択する。 本実施形態 3においては、 図 2 5に示されるように 、 ここで選んだ 1つの等伝搬時間面形状のみを用いて以後の処理を行う。 なお、 図 2 5においては、 1つの等伝搬時間面を用いて異なる参照伝搬時間での等伝搬時間面を 描く （求める） 方法を示したものであり、 参照伝搬時間 T 2の等伝搬時間面に対して 、 参照伝搬時間が異なっている場合 （T l、 Τ 3 ) においても、 伝搬時間の差が大き くなければ、 深さ位置を変えるだけで、 参照伝搬時間 Τ 2の等伝搬時間面と同じ形状 の等伝搬時間面を利用することができる （この場合には、 1個の等伝搬時間面のデー タがあれば足りるこ になる） 。 なお、 検出対象となる内部欠陥の存在する深さ範囲 が広く、 等伝搬時間面が同じ形状として扱えない場合には、 計測した伝搬時間に対応 する参照伝搬時間を参照して、 対応する等伝搬時間面のデータを用いればよい。
( S 6 4 ) 欠陥像合成処理部 1 1 6は、 上記の （S 6 3 ) で選択した等伝搬時間面の データを用いて映像化処理を行う。 本実施形態 3における映像化処理方法を図 2 6に 示す。 ここで、 図 2 6においては簡単のため 2次元で記述しているが、 本実施形態 3 においては 3次元的に処理を行っている。 但し、 本発明はこれに限定されるものでは なく 2次元で処理を行ってもよい。 本実施形態 1における映像化処理方法の手順を以 下に示す。 (a) 各焦点位置 Pi, j (深さ方向に対して直交する面内における座標で、 送受信す る振動子群の中心位置にも相当） のなかで欠陥エコーが検出できている焦点位置 P i， jについて、 図 24のように伝搬時間 （以下、 測定伝搬時間ともいう） を検出する。 測定伝搬時間の検出は、 図 14におけるアレイ信号処理回路 1 14で行っても欠陥像 合成処理部 1 1 6で行ってもよく、 本実施形態においてはアレイ信号処理回路 1 14 で行っている。
(b) 被検体 1中で欠陥が存在し得る領域を微小体積要素にわけ、 それぞれの微小体 積要素に 3次元のア ドレス P f k,l,m (k ： x方向の位置， 1 ： y方向の位置， m :
Z方向の位置） をつける。
(c) 各位置 Pi，jでの測定伝搬時間から水距離と被検体距離を算出し、 欠陥が送受 信する振動子群の中心軸上 （深さ方向に対して直交する面内における座標が Pi, j) にあったと仮定したときの欠陥位置 （深さ） を算出し、 その欠陥位置に対応する P f k，l,mを図 26のように測定伝搬時間に対応する等伝搬時間面の中心として設定する
(d) 上記の （c) で設定された等伝搬時間面の中心から等伝搬時間面 （図 25参照 ) を形成し、 その等伝搬時間面の位置に対応する各微小領域 P f k， l,mに対し、 P f k ，1，111に設けたカゥンタじ^1, 111にカゥント 1を加算する。
(e) 上記の （c) 、 (d) の操作を、 欠陥エコーが検出できている全ての位置: Pi, jについて行う。
(S 6 5) 上記の （S 64) で得られたデータを映像化する。 本実施形態 3における 映像化の方法は以下に示すとおりである。
(a) 全 （k， 1 ) に対し、 それぞれ （k， 1 ) を固定したときの Ck，l，mの最大値 Cmax (k, 1 ) を求める。
(b) Cmax (k, 1 ) が閾値以上になる各 （k， 1 ) に対し、 別の閾値を決めて力 ゥンタ C k, 1, mを mの小さい側からチェックしていったときに初めて閾値以上となる mを m (k, 1 ) とする。
(c) 上記の （b) で得られた m (k， 1 ) を用い、 各 （k， 1 , m (k, 1 ) ) に 対応する各微小領域の隣り合う中心同士を線で結んでポリゴンを構成する。
(d) 上記の （c) で得られたポリゴンを 3次元表示する。
なお、 映像化方法は前記のような 3次元ポリゴン表示方法に限るものではなく、 そ の他の 3次元表示方法や 2次元表示方法であってもよい。
ここで、 周波数 5 0 MH z、 アレイピッチ 100 μ π 開口合成に用いるチャンネル数 32、 線集束ビームの水中焦点距離 1 5 mmの超音波線集束型アレイプローブ （図 2 9 に示すようなアレイ配列方向と直交方向に大きさ 1 O mmの振動子面が曲率をもって おり、 その方向に集束する。 ） を用い、 鋼片サンプルに直径 3 0 0 μ πιの人工穴を空 けて、 その穴を図 2 7 ( a ) のように探傷し、 前記欠陥像合成方法で映像化した例を 図 2 7 ( b ) に示す。 なお、 図 2 7 ( b ) は各振動子をさらに微小領域に分割して作 成した等伝搬時間面を用いている。 図 2 7 ( c ) は上記の特許文献 3記載の方法で映 像化処理を行い、 前記欠陥像合成法 （S 6 5 ) の方法で 3次元表示した図である。 こ の実施例では、 水中焦点距離、 接触媒質換算距離しが、 振動子領域 （振動子径） の約 1 . 5である。 図 2 7 ( c ) では人工穴の映像が z方向に平らになっているのに対し て、 図 2 7 ( b ) では人工穴の曲面が再現されていて、 形状の分解能が向上している ことがわかる。
なお、 本実施形態 3も、 欠陥像合成方法で映像化し欠陥像表示装置 1 6に表示する 例について説明したが、 それに加えて、 欠陥判定装置 1 7が、 欠陥像合成処理部 1 1 6により開口処理された上記の信号に基づいて欠陥判定を行う。 また、 欠陥判定をす るだけであれば、 合成結果を映像化し表示する欠陥像表示装置 1 6は必ずしもなくて もよく、 欠陥像合成処理部 1 1 6からの合成結果を欠陥判定装置 1 7が入力し、 その 判定結果のみを出力するような構成にしてもよい。 逆に、 欠陥自動判定をしなければ 、 欠陥判定装置 1 7はなくてもよい。
上述のとおり、 本実施形態 3においては、 アレイ型超音波プローブ 1 0 aと被検体 1との間に水を介在させ、 アレイ型超音波プローブ 1 0 aの受信信号に開口合成処理 を行って形成される焦点を、 被検体 1に対して相対的に走査しつつ、 超音波を被検体 1に向けて送信し、 被検体 1の内部欠陥からの反射波を受信する送受信工程と、 ァレ ィ型超音波プローブ 1 0 aの各振動子で受信された信号に開口合成処理を行う信号処 理工程と、 得られた開口合成波形を設定された遅延時間により遅延させたのち加算し て信号を生成する信号生成工程と、 該生成された信号の表示を行う表示工程とを備え た内部欠陥の超音波映像方法であって、 前記遅延時間は、 伝搬時間を開口合成波形に 基づいて算出することとして、 アレイ型超音波プローブ 1 0 aの各振動子の受信信号 に行われる開口合成処理の焦点と設定内部欠陥との相対位置に対する伝搬時間の変化 量を求め、 該伝搬時間の変化量から内部欠陥の映像化信号を生成するようにしており 、 内部欠陥を高分解能に映像化できる。 実施形態 4 .
本実施形態 4は、 図 1 4の欠陥像合成処理部 1 1 6を上記の演算処理とは異なった 処理をするようにした例である。 本実施形態 4の欠陥像合成処理部 1 1 6は、 上記の 等伝搬時間面データに代えて、 遅延時間データを用いる。 このため、 等伝搬時間面デ ータ部 1 1 7に代えて、 遅延時間データが格納される記憶装置 （図示せず） が設けら れる。 この遅延時間データ （遅延時間群） は、 伝搬時間の変化量データ （図 2 1の変 換を行う前のデータ） から求めるものであり、 図 2 8の概念図に示されるように、 伝 搬時間の変化量が大きいほど遅延時間を小さく、 変化量が小さいほど遅延時間を大き くしたデータである。 等伝搬時間面データと同様にして、 水距離 *被検体距離 ·開口 合成焦点深さの各値に対応して求められて記憶装置に記憶されている。
欠陥像合成処理部 1 1 6は、 図 2 3に示されるフローチャートのうち、 等伝搬時間 面選択の処理 （S 6 3 ) とデータ映像化処理 （S 6 4 ) の具体的内容が異なるが、 そ れ以外の処理は同じである。
等伝搬時間面選択の処理 （S 6 3 ) は、 遅延時間データの選択処理になる。 具体的 には、 アレイ型超音波プローブで測定した受信波形の水距離 ·欠陥深さに対応する、 遅延時間データ （遅延時間群） を選択する処理を行う。
データ映像化処理 （S 6 4 ) は、 その遅延時間データ選択処理で選択した遅延時間 データを用いて、 図 2 8のように波形再合成処理を行う。
具体的には、 焦点走査した多数点のうち、 隣接した所定数の焦点位置 （図 2 8の例 では 1 0点） を選択し、 その 1 0点で測定した反射波形データ （アレイ型超音波プロ 一ブの各振動子の信号を焦点を形成するための開口合成処理を行った信号で、 実施形 態 1， 2における集束型超音波プローブの出力波形データに相当） に対し、 選択した 遅延時間データ （遅延時間群） に対応して、 各プローブ位置に波形を遅延処理をする 。 図 2 8に示されるように、 外側の焦点の信号には遅延時間を小さくし、 内側の焦点 には遅延時間を大きくしている。 これによつて、 所定数の焦点位置のうち、 その中心 に位置する焦点の上下に欠陥があれば、 欠陥波形が揃うことにより、 欠陥信号が強調 されて、 欠陥の存在を検知できる。 一方、 中心に位置する焦点の上下に欠陥が無けれ ば、 例えば、 外側の焦点の直上または直下に欠陥があれば、 各焦点で受信した欠陥の 信号は、 遅延しても位相が揃わないので、 相殺され、 強調されずに、 欠陥信号を検出 できない。 つまり、 中心に位置する焦点の直上または直下には欠陥が無い、 というこ とになる。
このような処理を多数点測定したデータに対して、 選択範囲を移動させながら順に 所定数のデータを選択して、 繰り返すことにより開口合成波形を得る。 そして、 遅延 時間データ （遅延時間群） を選択する際には、 複数の深さに対応した遅延時間データ (遅延時間群） をそれぞれ選択して、 上記の演算処理を繰り返す。 そして、 得られた 波形を適当な方法 （Aスコープ、 Bスコープ、 Cスコープ、 三次元表示） で表示する なお、 本実施形態 4も、 欠陥像合成方法で映像化し欠陥像表示装置 1 6に表示する 例について説明したが、 それに加えて、 欠陥判定装置 1 7が、 欠陥像合成処理部 1 1 6により開口処理された上記の信号に基づいて欠陥判定を行う。 また、 欠陥判定をす るだけであれば、 合成結果を映像化し表示する欠陥像表示装置 1 6は必ずしもなくて もよく、 欠陥像合成処理部 1 1 6からの合成結果を欠陥判定装置 1 7が入力し、 その 判定結果のみを出力するような構成にしてもよい。 逆に、 欠陥自動判定をしなければ 、 欠陥判定装置 1 7はなくてもよい。
上述のとおり、 本実施形態 4においては、 アレイ型超音波プローブ 1 0 aと被検体 1との間に水を介在させ、 アレイ型超音波プローブ 1 0 aの受信信号に開口合成処理 を行って形成される焦点を、 被検体 1に対して相対的に走査しつつ、 超音波を被検体 1に向けて送信し、 被検体の内部欠陥からの反射波を受信する送信回路 1 1 1 '駆動 素子選択回路 1 1 2 '受信回路 1 1 3 (送受信手段） と、 アレイ型超音波プロープ 1 0 aの各振動子で受信された信号に開口合成処理を行う了レイ信号処理回路 1 1 4 ( 信号処理手段） と、 得られた開口合成波形を設定された遅延時間データにより遅延さ せたのち加算して信号を生成する欠陥像合成処理部 1 1 6 (信号生成手段） と、 該生 成ざれた信号データを画像メモリに出力して表示する欠陥像表示装置 1 6 (表示手段 ) とを備えた内部欠陥の超音波映像方法であって、 前記遅延時間データは、 伝搬時間 を開口合成波形に基づいて算出することとして、 アレイ型超音波プローブ 1 0 aの各 振動子の受信信号に行われる開口合成処理の焦点と設定内部欠陥との相対位置に対す る伝搬時間の変化量から求め、 該伝搬時間の変化量から内部欠陥の映像信号を生成す るようにしており、 内部欠陥を高分解能で映像化できる。
なお、 上記実施形態 1から 4に示した本発明は、 焦点距離、 被検体距離、 接触媒質 距離の、 振動子領域に対する比が十分大きい場合であっても適用してもよいが、 焦点 距離、 被検体距離、 接触媒質距離の、 振動子領域に対する比が小さくなるという条件 において、 その効果が顕著となる。 具体的には、 焦点距離の、 送受信を行う振動子の サイズに対する比が 0 . 5より大きく、 8より小さい範囲において適用可能であり、 好ましくは 0 . 5より大きく、 6より小さい範囲、 より好ましくは 0 . 5より大きく 、 3より小さい範囲が好適である。 なお、 本発明が適用される、 被検体距離、 接触媒 質距離の、 送受信を行う振動子のサイズに対する比の範囲も、 焦点距離と同様である また、 上記実施形態 1から 4の説明は、 超音波計測装置の一形態である、 映像化 装置として説明したが、 本発明の適用は、 それに限らず、 求めたカウンタの値や遅延 時間により合成した波形データを入力し、 それらデータを用いて欠陥の種類や程度を 判定して欠陥の検出を行う欠陥検出装置などにも適用可能である。

Claims

請求の範囲
1 . 超音波プローブが形成する焦点を被検体に対して相対的に走査しつつ、 超音波 を前記被検体に向けて送信し、 前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信する送受信 手段と、
前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、 送受信面の 全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、 各測 定位置で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理手段と
を備えた超音波計測装置。
2 . 各測定位置において、 前記反射波に基づいて内部欠陥までの伝搬時間を測定す る伝搬時間測定手段を備え、
前記開口合成処理手段が、 前記参照伝搬時間が等しくなる被検体内部の位置を 結んで形成された等伝搬時間面を、 前記伝搬時間測定手段で測定した伝搬時間に対応 して抽出して、 等伝搬時間面の位置を欠陥候補位置とすることを特徴とする請求項 1 記載の超音波計測装置。
3 . 前記開口合成処理手段で求められた欠陥候補位置毎に、 前記走査を行った間に 抽出された回数を算出し、 該算出した回数を位置に対応させて表示を行う表示手段を 備えた請求項 2に記載の超音波計測装置。
4 . 前記開口合成処理手段が、 前記参照伝搬時間に基づいて算出された遅延時間に より、 前記送受信手段で受信した反射波を遅延させた後、 加算して信号を生成するこ とを特徴とする請求項 1に記載の超音波計測装置。
5 . 前記開口合成処理手段で生成された信号データを表示する表示手段を備えた請 求項 4に記載の超音波計測装置。
6 . 前記参照伝搬時間は、 超音波プローブの送受信面の全面を、 複数領域に分割し 、 該分割された各領域と内部欠陥との間を送受信される超音波の波形を求め、 該波形 を前記超音波プローブ全面について合成した波形から算出することを特徵とする請求 項 1から 5のいずれかに記載の超音波計測装置。
7 . 前記参照伝搬時間は、 予め、 人工的に作成した内部欠陥を有する被検体を用い て、 前記超音波プローブが形成する焦点と前記被検体とを相対的に走査しつつ、 超音 波を前記被検体に向けて送信し、 前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信すること により求めることを特徴とする請求項 1から 5のいずれかに記載の超音波計測装置。
8 . 前記超音波プローブは、 集束型超音波プローブであることを特徴とする請求項 、 1から 7のいずれかに記載の超音波計測装置。
9 . 前記超音波プローブは、 複数の振動子が配列されたアレイ型超音波プローブで あり、
前記各振動子の信号を開口合成処理によって焦点を形成して、 前記各測定点で 受信した信号とする信号処理手段を備えたことを特徴とする請求項 1から 7のいずれ かに記載の超音波計測装置。
1 0 . 前記開口合成処理手段で開口合成処理された信号を用いて欠陥判定を行う欠陥 判定手段を備えた請求項 1から 9のいずれかに記載の超音波計測装置。
1 1 . 超音波を前記被検体に向けて送信し、 前記被検体の内部欠陥からの反射波を受 信する送受信ステップと、
前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、 送受信面の 全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、 各測 定点で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理ステップと
を備えた超音波計測方法。
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