结构缺陷的成像方法、结构缺陷的成像装置、气泡或损害部位的成像方法以及气泡或损害部位的成像装置

技术领域

本发明涉及检测象结构物中包含的象裂纹那样的缺陷的结构缺陷的成像方法、结构缺陷的成像装置、检测组织中包含的气泡或损害部位的气泡或损害部位的成像方法以及气泡或损害部位的成像装置。

技术背景

为了确保核反应堆、飞机、铁路等重要设备的安全性和所制造、所接合的材料的致密性，进行着通过超声波的反射或散射来检测成为损坏的原因的裂纹和接合不完全的接合面，正确评价其大小且若有危险性则进行更换这样的安全管理。但是，在由于各种原因使裂纹面闭合的裂纹闭合应力大的疲劳裂纹、由应力腐蚀裂缝引起的裂纹面上形成有氧化膜的闭合裂纹等中，超声波的反射、散射小，裂纹的长度或深度的测量误差大成为问题。

通过在由接收阵列元件所得到的散射波上加上与元件的位置对应而施加不同延迟所得的信号来得到裂纹的图像的工序被称为相控阵法，这在非破坏性检查的领域是众所周知(例如，参照非专利文献1)。但是，即使通过基于相控阵法得到的图像也难以正确地测量闭合裂纹。

在这样的背景下，提出了照射振幅大的超声波，并使用由闭合裂纹产生的分谐波的闭合裂纹的定量评价方法和闭合裂纹的定量评价装置(例如参照专利文献1)。在该评价方法和装置中，能够通过对分谐波应用相控阵法来将闭合裂纹成像。此方法被命名为SPACE(subharmonic phased array for crack evaluation)(例如参照非专利文献2)。在此，“subharmonic”的意思是分谐波。

图14是SPACE的原理图。在SPACE中，作为关键技术应用使用发送侧探头(发送器)、用于进行成像的阵列接收器以及带通滤波器(数字滤波器)，其中，所述发送侧探头使用了能够产生大振幅超声波的、具有优越的耐压性的LiNbO₃单晶振子。通过从发送侧探头射入大振幅超声波(频率f)，除在裂纹开口部产生基波(频率f)的线性散射以外，在闭口部通过使其闭合裂纹面在大振幅超声波的拉伸应力下进行开闭振动来产生分谐波(频率f/2)。通过由阵列接收器接收分谐波，并由数字滤波器分离各成分，能够观察基波图像和分谐波图像。在裂纹前端闭合的情况下，能够根据分谐波图像来正确地测量在基波图像中过低评价的裂纹深度。

专利文献1：日本特开2005-315636号公报

非专利文献1：T.L.Szabo，“Diagnostic Ultrasound Imaging：Inside Out”，Academic Pr，2004年9月7日，p.171

非专利文献2：Yoshikazu Ohara，Setsu Yamamoto，TsuyoshiMihara，and Kazushi Yamanaka，“Ultrasonic Evaluation of ClosedCracks Using Subharmonic Phased Array”，Japanese Journal of AppliedPhysics，2008，47，p.3908-3915

发明内容

在图14所示的SPACE中，在需要高距离分辨率时，将循环数为3以下的突发波作为入射波。此时，由于频率分辨率变低，因此在非线性散射源(裂纹闭口部)与线性散射源(底面、裂纹开口部)接近的情况下、或与非线性散射源相比来自线性散射源的响应强的情况下，导致在分谐波图像中不仅出现裂纹闭口部，还出现用滤波器未除尽的基波成分。其结果，具有难以识别闭合裂纹和张口裂纹，识别性降低这样的课题。另外，所谓突发波(burst wave)是指由多个循环数的正弦波构成的波。由循环数为1的正弦波构成的波是脉冲波(pulse wave)。

本发明的目的在于提供具有高的频率分辨率和空间分辨率的、能够提高闭合裂纹与张口裂纹的识别性的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置。另外，根据相同原理，本发明的目的还在于提供具有高的频率分辨率和空间分辨率的、能够提高组织与气泡或损害部位的识别性的气泡或损害部位的成像方法以及气泡或损害部位的成像装置。

为了达到上述目的，本发明的结构缺陷的成像方法检测结构物中包含的象裂纹那样的缺陷，其特征在于，包括：照射由预定循环数的正弦波构成的脉冲超声波(burst ultrasonic wave)的超声波发射器；和具有多个接收传感元件的阵列接收器，具有以下步骤：第一接收步骤，在针对上述缺陷而在预定位置配置有上述超声波发射器和上述阵列接收器的第一配置中，用上述阵列接收器接收上述超声波发射器向上述结构物照射的上述脉冲超声波在上述缺陷上产生的散射波来得到第一接收信号；第一成像步骤，对上述第一接收信号施加使特定频率成分通过的带通滤波器，并在使其偏移根据上述阵列接收器的各接收传感元件的位置而不同的时间之后，对其进行相加而得到第一处理信号，根据所获得的上述第一处理信号得到上述缺陷的第一图像；第二接收步骤，在上述超声波发射器和上述阵列接收器中至少一方的位置针对上述缺陷而不同的第二配置中，用上述阵列接收器接收上述超声波发射器向上述结构物照射的上述脉冲超声波在上述缺陷上产生的散射波来得到第二接收信号；第二成像步骤，对上述第二接收信号施加上述带通滤波器，并在使其偏移根据上述阵列接收器的各接收传感元件的位置而不同的时间之后，对其进行相加而得到第二处理信号，根据所获得的上述第二处理信号得到上述缺陷的第二图像；以及抽取步骤，抽取上述第一图像和上述第二图像的共同部分。

根据图1对本发明的结构缺陷的成像方法的原理进行说明。

图1(a)是使用2个阵列接收器中右侧的阵列接收器来检测出从左侧的超声波发射器向裂纹的闭口部和开口部射入时间分辨率高的短脉冲超声波(循环数少的脉冲超声波)时产生的散射波时的、基于从散射波分离出的分谐波的图像，与图14所示的SPACE对应。另外，对检测出的散射波使用带通滤波器来使分谐波分离，进而使用相控阵法得到裂纹的图像。在裂纹的闭口部和开口部分离的情况下，或者在开口部的信号强度小的情况下，如图1(a)的实线所示，不能看到开口部，仅选择性地使闭口部成像。但是，在裂纹的闭口部与开口部接近的情况下，或者在开口部的信号强度大的情况下，如图1(a)的虚线所示，有时不仅能看到闭口部，也能看到开口部。这是因为频率分辨率低，具体而言如图1(e)所示，是因为从开口部产生的中心频率f的基波的信号具有宽的频谱宽度，泄露至分谐波的频率f/2。在原本仅示出闭口裂纹的分谐波的图像中也看到开口部的情况是一种重影，导致闭口裂纹和开口裂纹的选择性降低。

与之相对，图1(b)～图1(d)表示本发明的结构缺陷的成像方法。图1(b)和图1(c)是分别使用右侧和左侧的阵列接收器检测出从超声波发射器向裂纹的闭口部和开口部射入长脉冲超声波(循环数多的脉冲超声波)时产生的散射波时的、基于从散射波分离出的分谐波的图像。这种情况下也对检测出的散射波通过带通滤波器分离分谐波，进而使用相控阵法得到裂纹的图像。如图1(b)和图1(c)所示，即使在裂纹的闭口部和开口部接近的情况下，或开口部的信号强度大的情况下也仅能看到闭口部，不能看到开口部，提高了选择性。这是因为频率分辨率高，具体而言如图1(f)所示，是因为从开口部产生的中心频率f的基波信号具有窄的频谱宽度，在分谐波的频率f/2处不泄露。

但是，如图1(b)和图1(c)所示，裂纹的图像向连接裂纹和阵列接收器的中心的方向伸展。这样，图像在特定的方向上伸展的现象是由本发明人等发现的，这导致空间分辨率降低。因此，如图1(d)所示，能够通过抽取图1(b)所示的第一图像和如图1(c)所示的第二图像的共同部分来得到使空间分辨率提高的真的闭口部的图像。并且，看不到在图1(a)中看到的作为重影的开口部，也提高了选择性。

这样，本发明的结构缺陷的成像方法具有高频率分辨率和高空间分辨率，能够提高闭合裂纹与张口裂纹的识别性。另外，能够高精度地检测闭合裂纹等缺陷。在本发明的结构缺陷的成像方法中，第一配置和第二配置可以仅在于超声波发射器的位置不同，也可以仅在于阵列接收器的位置不同，还可以在于超声波发射器和阵列接收器两者的位置不同。任一种情况下，由于由第一配置所得到的缺陷的图像伸展方向和由第二配置所得到的缺陷的图像伸展方向不同，因此也能够通过抽取2个图像的共同部分，得到使空间分辨率提高的、闭合裂纹等缺陷的图像。

本发明的结构缺陷的成像装置检测结构物中包含的象裂纹那样的缺陷，其特征在于，包括：超声波发射器，其照射由任意循环数的正弦波构成的脉冲超声波；阵列接收器，其具有被设置成能够接收上述超声波发射器向上述结构物照射的上述脉冲超声波在上述缺陷上产生的散射波的多个接收传感元件；成像机构，向由上述阵列接收器的各接收传感元件接收到的接收信号施加使特定频率成分通过的带通滤波器，并在使其偏移根据上述阵列接收器的各接收传感元件的位置而不同的时间之后，对其进行相加而得到处理信号，根据所获得的上述处理信号得到上述缺陷的图像；以及抽取机构，抽取由上述成像机构所得到的彼此不同的2个图像的共同部分。

本发明的结构缺陷的成像装置能够易于实施本发明的结构缺陷的成像方法。因此，本发明的结构缺陷的成像装置具有高的频率分辨率和空间分辨率，能够提供闭合裂纹与张口裂纹的识别性。并且，能够高精度地检测闭合裂纹等缺陷。

本发明的结构缺陷的成像方法优选包含在上述脉冲超声波中的正弦波的循环数为4以上。另外，在本发明的结构缺陷的成像装置中，上述超声波发射器优选构成为照射正弦波的循环数为4以上的脉冲超声波，上述成像机构优选构成为在相对于上述缺陷上述超声波发射器和上述阵列接收器中至少一方的位置不同的2种情况下，能够得到彼此不同的2个图像。这种情况下，尤其能够提高频率分辨率，具有优越的闭合裂纹与张口裂纹的识别性。并且，尤其能够高精度地检测闭合裂纹等缺陷。

本发明的结构缺陷的成像方法可以通过切换在上述阵列接收器内使用的接收传感元件而构成上述第一配置和上述第二配置。另外，在本发明的结构缺陷的成像装置中上述阵列接收器也能够切换使用的接收传感元件。这种情况下，在超声波发射器和阵列接收器均不移动的情况下能够得到2个不同的图像，能够易于得到使空间分辨率提高的、闭合裂纹等缺陷的图像。

本发明的结构缺陷的成像方法检测结构物中包含的象裂纹那样的缺陷，包括：照射由任意循环数的正弦波构成的脉冲超声波的超声波发射器；和具有多个接收传感元件的阵列接收器，也可以具有以下步骤：第一接收步骤，从上述超声波发射器向上述结构物照射由预定循环数的正弦波构成的第一脉冲超声波，用上述阵列接收器接收上述第一脉冲超声波在上述缺陷上产生的散射波来得到第一接收信号；第一成像步骤，对上述第一接收信号施加使上述正弦波的中心频率成分、其整数倍的频率成分、或者其整数分之一的频率成分通过的带通滤波器，并在使其偏移根据上述阵列接收器的各接收传感元件的位置而不同的时间之后，对其进行相加而得到第一处理信号，根据所获得的上述第一处理信号得到上述缺陷的第一图像；第二接收步骤，从上述超声波发射器向上述结构物照射由与上述预定循环数不同的循环数的正弦波构成的第二脉冲超声波，用上述阵列接收器接收上述第二脉冲超声波在上述缺陷上产生的散射波来得到第二接收信号；第二成像步骤，对上述第二接收信号施加上述带通滤波器，并在使其偏移根据上述阵列接收器的各接收传感元件的位置而不同的时间之后，对其进行相加而得到第二处理信号，根据所获得的上述第二处理信号得到上述缺陷的第二图像；以及抽取步骤，抽取上述第一图像和上述第二图像的共同部分。

根据图2说明照射该正弦波的循环数不同的2个脉冲超声波时的、本发明的结构缺陷的成像方法的原理。

图2(a)是使用阵列接收器检测出从超声波发射器向裂纹的闭口部和开口部射入时间分辨率高的短脉冲超声波(循环数少的脉冲超声波)时产生的散射波时的、基于从散射波分离出的分谐波的图像。另外，对检测出的散射波施加带通滤波器分离分谐波，进而使用相控阵法得到裂纹的图像。在图2(a)的图像中，不仅能看到闭口部也能看到开口部。图2(b)是基于由长脉冲超声波(循环数多的脉冲超声波)产生的分谐波的图像，仅能看到闭口部，不能看到开口部。但是，图像向阵列接收器的中心方向伸展。图2(c)是抽取出图2(a)所示的第一图像和图2(b)所示的第二图像的共同部分的图像，表示除去开口部，同时得到使空间分辨率提高的真的闭口部的图像。

这样，在照射正弦波的循环数不同的2个脉冲超声波时的、本发明的结构缺陷的成像方法具有高的频率分辨率和空间分辨率，能够提高闭合裂纹与张口裂纹的识别性。并且，能够高精度地检测闭合裂纹等缺陷。该本发明的结构缺陷的成像方法能够由本发明的结构缺陷的成像装置容易地实施。另外，该图2所示的方法由于抽取长度不同但在同一方向上伸展的2个图像的共同部分，因此与抽取在不同方向上延伸的图像的共同部分的图1的方法相比，有时能够使图像变大，使空间分辨率降低。

在照射正弦波的循环数不同的2个脉冲超声波时的、本发明的结构缺陷的成像方法优选包含在上述第一脉冲超声波中的正弦波的循环数为4以上，包含在上述第二脉冲超声波中的正弦波的循环数为3以下。另外，在本发明的结构缺陷的成像装置中，对包含在上述超声波发射器照射的脉冲超声波中的正弦波的循环数为4以上的情况和3以下的情况，上述成像机构优选构成为得到彼此不同的2个图像。这种情况下，尤其能够同时提高频率分辨率和空间分辨率，具有优越的闭合裂纹与张口裂纹的识别性。并且，尤其能够高精度地检测闭合裂纹等缺陷。

本发明的结构缺陷的成像方法也可以使上述带通滤波器的带宽与包含在与施加滤波器的上述第一接收信号和上述第二接收信号对应的脉冲超声波中的正弦波的循环数成反比。另外，在本发明的结构缺陷的成像装置中，也可以使上述成像机构的上述带通滤波器的带宽与包含在与施加滤波器的上述接收信号对应的脉冲超声波中的正弦波的循环数成反比。这种情况下，尤其能够提高频率分辨率，具有优越的闭合裂纹与张口裂纹的识别性。并且，尤其能够高精度地检测闭合裂纹等缺陷。

本发明的结构缺陷的成像方法也可以确定上述阵列接收器的上述接收传感元件的数量，以使上述第一图像和上述第二图像成为在上述阵列接收器的中心与上述缺陷连接的方向上依赖于包含在与各图像对应的脉冲超声波中的正弦波的循环数而伸展的形状。另外，在本发明的结构缺陷的成像装置中，也可以确定上述阵列接收器的上述接收传感元件的数量，以使上述2个图像成为在上述阵列接收器的中心与上述缺陷连接的方向上依赖于包含在与各图像对应的脉冲超声波中的正弦波的循环数而伸展的形状。这种情况下，尤其能够提高空间分辨率。并且，尤其能够高精度地检测闭合裂纹等缺陷。

在本发明的结构缺陷的成像方法中，上述带通滤波器也可以使具有包含在与施加滤波器的上述第一接收信号或上述第二接收信号对应的脉冲超声波中的正弦波的频率的整数倍的频率的高次谐波通过，或者仅使具有包含在与施加滤波器的上述第一接收信号或上述第二接收信号对应的脉冲超声波中的正弦波的频率的整数分之一的频率的分谐波的频率成分通过。另外，在本发明的结构缺陷的成像装置中，上述带通滤波器也可以使具有包含在与施加滤波器的上述接收信号对应的脉冲超声波中的正弦波的频率的整数倍的频率的高次谐波通过，或者仅使具有包含在与施加滤波器的上述接收信号对应的脉冲超声波中的正弦波的频率的整数分之一的频率的分谐波的频率成分通过。这样的情况下，尤其能够提高频率分辨率。并且，尤其能够仅使用高次谐波或分谐波来高精度地检测闭合裂纹等缺陷。

在本发明的结构缺陷的成像方法中，上述抽取步骤可以通过进行被数字化的上述第一图像和上述第二图像的乘积运算或者进行乘积的平方根运算，或者通过仅对被二值化的上述第一图像和上述第二图像的成为一个部分的共同部分施加原来的上述第一图像或上述第二图像的强度来抽取上述第一图像和上述第二图像的共同部分。另外，在本发明的结构缺陷的成像装置中，上述抽取机构可以通过进行被数字化的上述2个图像的乘积运算或者进行乘积的平方根运算，或者通过仅对被二值化的上述2个图像的成为一个部分的共同部分施加原来的图像的强度来抽取各图像的共同部分。这些情况下，能够使用计算机容易地抽取各图像的共同部分，能够高精度地检测闭合裂纹等缺陷。

根据本发明的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置，在核反应堆、飞机、铁路、材料的制造工艺、接合工艺等非破坏评价的现场能够将闭合裂纹成像。另外，由此，能够定量地示出修补、交换的必要性，能够有利于确保这些机器、结构物的安全和安心。另外，本发明的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置也能够通过使用时间分辨率高的短脉冲超声波(循环数少的脉冲超声波)来高精度地检测张口裂纹。

本发明的气泡或损害部位的成像方法，用于检测包含在组织中的气泡或损害部位，其特征在于，包括：照射由任意循环数的正弦波构成的脉冲超声波的超声波发射器；和具有多个接收传感元件的阵列接收器，具有以下步骤：第一接收步骤，从上述超声波发射器向上述组织照射由预定循环数的正弦波构成的第一脉冲超声波，用上述阵列接收器接收上述第一脉冲超声波在上述气泡或损害部位上产生的散射波来得到第一接收信号；第一成像步骤，对上述第一接收信号施加使上述正弦波的中心频率成分、其整数倍的频率成分或者其整数分之一的频率成分通过的带通滤波器，并在使其偏移根据上述阵列接收器的各接收传感元件的位置而不同的时间之后，对其进行相加而得到第一处理信号，根据所获得的上述第一处理信号得到上述气泡或损害部位的第一图像；第二接收步骤，从上述超声波发射器向上述组织照射由与上述预定循环数不同的循环数的正弦波构成的第二脉冲超声波，用上述阵列接收器接收上述第二脉冲超声波在上述气泡或损害部位上产生的散射波，从而得到第二接收信号；第二成像步骤，对上述第二接收信号施加上述带通滤波器，并在使其偏移根据上述阵列接收器的各接收传感元件的位置而不同的时间之后，对其进行相加而得到第二处理信号，根据所获得的上述第二处理信号得到上述气泡或损害部位的第二图像；以及抽取步骤，抽取上述第一图像和上述第二图像的共同部分。

本发明的气泡或损害部位的成像装置，用于检测包含在组织中的气泡或损害部位，其特征在于，包括：超声波发射器，照射由任意循环数的正弦波构成的脉冲超声波；阵列接收器，具有多个接收传感元件，所述接收传感元件被设置成能够接收上述超声波发射器向上述组织照射的上述脉冲超声波在上述气泡或损害部位上产生的散射波；成像机构，对由上述阵列接收器的各接收传感元件接收到的接收信号施加使特定频率成分通过的带通滤波器，并在使其偏移根据上述阵列接收器的各接收传感元件的位置而不同的时间之后，对其进行相加而得到处理信号，根据所获得的上述处理信号得到上述缺陷的图像；以及抽取机构，抽取由上述成像机构所获得的彼此不同的2个图像的共同部分。

显然，本发明的气泡或损害部位的成像方法以及气泡或损害部位的成像装置通过将本发明的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的记述中的“结构物”替换成“组织”，将“缺陷”替换成“气泡或损害部位”，能够不仅应用于结构物的缺陷，也同样适用于使用了高次谐波、分谐波的生物体组织的造影剂气泡或损害部位的选择性的提高。因此，本发明的气泡或损害部位的成像方法以及气泡或损害部位的成像装置具有高的频率分辨率和空间分辨率，能够提高组织与气泡或损害部位的识别性。

根据本发明，能够提供具有高的频率分辨率和空间分辨率的、能够使闭合裂纹与张口裂纹的识别性提高的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置。另外，根据相同的原理能够提供具有高的频率分辨率和空间分辨率的、能够提高组织与气泡或损害部位的识别性的气泡或损害部位的成像方法以及气泡或损害部位的成像装置。

附图说明

图1是表示本发明权利要求1的结构缺陷的成像方法的原理图。

图2是表示本发明权利要求2的结构缺陷的成像方法的原理图。

图3是表示本发明实施方式的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的纵剖视图以及所得到的图像。

图4是表示本发明实施方式的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的、生成由阵列接收器接收的接收信号的模拟方法的流程图和说明图。

图5是表示用图4所示的模拟而假想出的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的结构的纵剖视图，和由此使用循环数为2的脉冲超声波而得到的图像。

图6是图5所示的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的、使用了循环数为2的脉冲超声波时的、与闭合裂纹对应的相位匹配波形W1(粗线部分)及其功率谱F1、与张口裂纹对应的相位匹配波形W2(粗线部分)及其功率谱F2。

图7是基于图5所示的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的、使用了循环数为2的脉冲超声波时的、基于由带通滤波器所抽取的线性散射波的成分的基波图像和基于由带通滤波器所抽取的分谐波的分谐波图像。

图8是图5所示的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的、使用循环数为6的长脉冲超声波而得到的图像。

图9是图8所示的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的、使用了循环数为6的长脉冲超声波时的、与闭合裂纹对应的相位匹配波形W3(粗线部分)及其功率谱F3、与张口裂纹对应的相位匹配波形W4(粗线部分)及其功率谱F4。

图10是基于图8所示的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的、使用了循环数为6的长脉冲超声波时的、基于由带通滤波器所抽取的线性散射波的成分的基波图像和基于由带通滤波器所抽取的分谐波的分谐波图像。

图11是表示本发明实施方式的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的、图5的相反配置的纵剖视图、使用循环数为6的长脉冲超声波而得到的基波图像以及分谐波图像。

图12是分别从图10和图11所示的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的基波图像和分谐波图像抽取共同部分的基波图像和分谐波图像。

图13是分别从图7和图10所示的结构缺陷的成像方法和结构缺陷的成像装置的基波图像和分谐波图像抽取共同部分的基波图像和分谐波图像。

图14是表示以往的、对分谐波使用了相控阵法的SPACE的原理图。

标号说明

1超声波发射器

2阵列接收器

3信号处理器

A第一配置

B第二配置

C1张口裂纹

C2闭合裂纹

S试样

S1闭合裂纹

S2张口裂纹

S3底面