JP2000508774A

JP2000508774A - 超音波による物体の特徴付け

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Publication number: JP2000508774A
Application number: JP9537539A
Authority: JP
Inventors: クライエル，ペーター; ケリン，アウグスト
Original assignee: ラムザイエル，ハンス―ウルリッヒ
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 2000-07-11
Also published as: AU2285197A; DE59708827D1; EP0894266A1; US6250159B1; DE19780348D2; WO1997040373A1; EP0894266B1; ATE228652T1

Abstract

(57)【要約】測定対象物（３）を特徴付けるために（例えば、基板（４）に支持された層（７）の厚さ（ｄ₇）を測定するために）、超音波（８．１）が測定装置（１）によって伝送される。測定対象物（３）の境界面（５，１０）で反射した反響インパルス（８．２，８．５）が測定装置（１）によって検出され、測定信号はデジタル化され、時間領域で進展解析が施される。進展解析は直交化と実行される探索方策によって計算効率が高いアルゴリズムとを用いる。測定対象物の（例えば厚さなどの）特徴は、反響波（８．２，８．５）の遅延時間差から決定される。

Description

【発明の詳細な説明】超音波による物体の特徴付け本発明は独立請求項の特徴部分にかかる、超音波によって物体を特徴付ける方法と測定装置に関するものである。特に、表面の段の高さや表面プロファイルと同様に、基板上や合成層内の壁や層の厚さの測定が可能である。超音波は、音響インピーダンスが異なる２つの媒体の境界面に当たると、通常はその一部が反射する。この現象はとりわけ、厚さ測定で利用される。音響インパルスが、例えば基板に支持される層などの測定対象物に進入すると、物体の前方と後方で反射した超音波インパルス（反響インパルス）が測定信号として検出される。２つの反響インパルスの遅延時間差Δｔから、物体の厚さｄは、好適な較正によって、例えば音響速度ｃが判っている場合は次のように計算される。ｄ＝ｃΔｔ／２逆に、物体の厚さｄが判っており、遅延時間差Δｔが測定されていれば、音響速度ｃは計算できる。こうした音響測定信号は、測定対象物依存の反射シーケンスの測定システムに依存したシステム応答への畳み込みとして捉えることができる。従って、テストシステムの帯域が制限されていることにより、検出される測定信号は理想的な鋭角ピーク（デルタ関数）ではなく、長く伸びた高周波インパルスである。特にこの結果によって、上で述べたような厚さ測定において次のような問題が生じる。精度要求が厳しい場合、遅延時間差Δｔは、例えば曲線適応関数又は超音波インパルスの特徴的な位置（閾値、ゼロ通過、傾斜）などによって、超音波インパルス継続時間以下である程度は正確に決定されなくてはならない。厚さが薄い場合、即ち、遅延時間差が小さい場合、２つの反響は重複して、その結果、分解能に問題が生じる。測定される層の厚さについての相対的な用語「薄い」や、測定される層の厚さが「小さい」とか、精度が「高い」など、この中で用いられている語は、常に、材料や方法に応じて適用される高周波インパルス持続時間（搬送周波数や中心周波数）に関して理解されるべきものである。こうした難点は、適用される層が更に薄いこと及び／又は伝播の材料と媒体に特有の音響遅延のために、技術的に注目すべき厚さの測定課題において、ますます顕著になってくる。この音響遅延は周波数が高くなるほど増加する。例えば、独国特許発明44 14 030号明細書では、反響インパルスが重複する場合の層の厚さの決定方法が記載されている。この場合、検出される包囲曲線の立ち上り時間が、層の厚さの測定基準として用いられている。この意味で、測定装置は、まず、立ち上り時間と層の厚さとの相関関係を記憶することにより、すでに判明している厚さを有する層の測定値によって較正されなくてはならない。こうした厳しい較正が必要となるというのが、この方法の第１の問題点である。別の問題点は、ほとんどの場合に到達不可能な基板側方向からしか層を測定できないということから生じる。このことにより、この方法の適用範囲が極端に限定される。また、その方法は、振幅の大きさが類似して、強く重複する反響インパルスに関してのみ機能する。このため、更に大きな限定が与えられてしまう。独国特許出願公開44 34 688号明細書は、デジタルデータ取得と、反響インパルスを進展解析（evoluation anaysis）する評価ユニットを備えた超音波厚さ測定装置を開示している。進展は、周波数領域の区分け（ウィーナフィルタ作用）により生じる。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）或いは逆ＦＦＴは、時間領域から周波数領域への変換又はその逆の変換に用いられる。周波数領域の進展は、測定信号のスペクトル内に存在する末知の雑音に非常に敏感であるという欠点がある。上述の引例の何れも、測定対象物と接触した場合のみで、或いは非接触状態ではないが特殊な結合媒体によって作動する超音波厚さ測定装置を示している。しかし、様々な用途、例えば、測定対象物に痕跡を残すのを避けるため、測定対象物の損傷を避けるため、或いは結合媒体による汚染を避けるためなどの理由で、非接触の厚さ測定が望まれている。例えば、焼成、乾燥又は硬化の前に、粉末、ラッカ、塗料などからなる新たに塗布された層の厚さの測定で考えうる方法は非接触測定方法のみである。本発明の目的は、超音波による測定対象物の特徴付けの方法、特に、厚さの測定、音響速度の測定或いは表面断面の測定を示すことにある。この方法は、選択に応じて、非接触測定にも接触測定にも好適なものとなる。使用される音波長より小さい、等しい、或いはそれより大きい厚さや段のある物体に適用可能となる。例えば、同質の物体、自己支持層システム(a self-supporting layer system) 又は基板上の１以上の層が測定対象物となりうる。後者の場合、測定方法は、選択に応じて、層や基板側の方向から適用可能でなくてはならない。更に、本発明の目的は、この方法を実行するための測定装置を提供することである。この目的は、独立請求項で定義するような本発明による測定方法と、本発明による測定装置により達成される。本発明による測定装置では、少なくとも１つの超音波が測定装置によって伝送され、測定対象物の境界面で反射する反響波が測定装置によって測定信号として検出される。測定信号はデジタル化され、時間領域で進展解析(evolition analy sis)を施される。使用される進展アルゴリズムは、「物理的に知覚可能な」反射シーケンスの量を、テスト課題に向って方向付けられた実際の事前（a-priori）値範囲を用いることによって制限できるという仮定に基づいている。測定信号は、測定対象物に依存する反射シーケンスと測定システムに依存するシステム応答との畳み込みであると捉えられる。このような時間領域でのアプローチにより、複雑さが指数関数的に増加する、ツリーベースの最大公算シーケンス見積もり（ tree-based maximum-liklihood sequence estimation）が導かれる。しかし、実際に、注目すべき課題定義の場合、テスト課題に対して方向付けされる現存の事前値を取り入れることにより、しかも反射シーケンスに関するそれぞれのデータによって、この複雑さを軽減することができる。本発明による測定方法では、直交化（orthogonalization）と存在する事前値範囲に対応して実行された探索方策（search strategy）によって、特に計算効率に優れた時間領域での新たな進展アルゴリズムが使用される。本発明による進展アルゴリズムにおいて、所定の測定信号は、一時的に移動するベースインパルス（小波）に重複する重み付け付加(additive)により近似される。ベースインパルスの形状は好適な基準信号（較正、測定）から導くことができ、既知のものとして判断される。この場合、分散と周波数に依存する音響崩壊は、遅延時間に応じて変化しうるベースインパルスの形状によって考慮できる。ベースインパルスの重み付けと一時的移動は、例えば最小自乗により、即ち、誤差２乗の和（測定信号と進展信号との差の２乗の和）を最小にすることにより最適に決定される。しかし、この目的でその他の最適化アルゴリズムを利用してもよい。白色測定雑音の場合、これは最大の確率の解、いわゆる最大公算解を示す。別の測定対象物を特徴付ける場合、測定対象の特徴を更に、テスト課題に対して方向付けられた事前値として予測的に利用することができる。本発明による測定方法において、事前値を回帰的に或いは段付き範囲のシーケンスの形で利用可能である。このように、本発明は専門システム的な自己学習測定装置を構築する。本発明による測定方法は、デジタル化の真の速度を上回る計算及び測定の精度を達成する。進展解析において、実際のデジタル化速度は、測定分解能と計算上分離される。よって、遅延時間測定値の達成可能な最大分解能は、真のデジタル化速度によって限定されることはない。所望の、よって一部にはより高い測定分解能とは関係なく、基礎をなす真のデジタル化速度は、一般的に知られたナイキスト定理を満たす必要があるだけである。即ち、測定信号の２倍の有効帯域幅以上でなければならない。本発明による探索と進展アルゴリズムによって、測定対象物特有の注目すべき反射シーケンスは、強く重複する反響の場合であっても、いわゆるスパイクトレイン（spike train）（パルストレイン、離散シーケンスの個々の結果、無限鋭角のピーク）として得ることができる。好適な閾値と簡単な組み合せにより、このように、注目すべき遅延時間をパルストレインから正確に測定でき、また測定対象物の関連の特徴を較正により決定できる。測定対象物の非接触による特徴付けに関して、本発明による測定方法は、空気中の超音波について最適化される、測定装置内のトランスデューサユニットを用いる。被覆材料或いは比較的音響インピーダンスが低い材料（例えば、非焼成粉末や非乾燥のウェットラッカなど）の場合、入射音響エネルギの一部が空気と層の間の境界面で反射しているが、測定目的には十分なほど大きいエネルギの成分が非硬化被覆材料に侵入する。（例えば金属）基板へ再び遷移することは、エネルギの大部分に反映するインピーダンスの大幅な増加を意昧する。本発明による方法を用いれば、２つの反響インパルスの遅延時間差を正確に決定することが可能となる。上述のように、層の厚さ、音響速度或いは段の高さは遅延時間差と直接的な相関関係があり、遅延時間差から直接決定される。他方、本発明による測定方法は、結合媒体をまさに通り抜ける或いは測定対象物と直接接触した測定が可能である。この場合、測定装置のトランスデューサユニットはそれに応じて調整する必要がある。本発明による方法では、インパルス−反響モード或いは伝送−受信モードでの動作が可能である。インパルス−反響モードでは、超音波伝送器と超音波受信器が単一のトランスデューサで実現され、伝送−受信モードでは、第１のトランスデューサユニットが超音波伝送器として、第２のトランスデューサが超音波受信機として利用される。本発明による方法の用途は多方面にわたる。例えば、一般的にコンクリートや建設材料の場合の厚さ測定、材料試験や故障検出に利用可能である。パイプなどの基礎構造建造にもよく適している。特に、例えば金属などのように超音波にさらすのが困難で、高周波での吸収が高いために低超音波周波数でしか使えない材料の場合にも用いることができる。また、本発明による方法を、例えばラッカや塗料被覆、セラミック被覆、プラズマ被覆などのあらゆる被覆の厚さ測定に利用することもできる。よって、個々の層の厚さのみならず、層システムの中のいくつかの層の厚さも決定できる。同様に、本発明による方法は、例えば圧力容器で用いられるような複合層材料にも好適であり、個々の層は金属、プラスチック、セラミックやその他の材料から作られる。また、表面の段構造や表面プロファイルを測定することも可能である。本質的に、本発明による測定装置は、それぞれの実際の測定課題に対して最適化することができる次のような構成要素、即ち、少なくとも１つのトランスデューサユニットと、伝送器ユニットと、受信器ユニットと、アナログ−デジタルトランスデューサユニットと、メモリ付けマイクロプロセッサシステムとを具備している。必要であれば、ディスプレイユニット、入力ユニット及び／又はメモリユニットも追加してもよい。以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１〜図３は、本発明に従った測定方法の測定装置の構成例を示した図である。図４と図５は、代表的な反響インパルスの測定信号を示した図である。図６は、代表的な測定対象のベースインパルスを示した図である。図７と図８は、本発明に従った進展アルゴリズムとともに進展する代表的な信号を示した図である。図９は、表面の段を測定するための測定装置の構成を示した図である。図１０は、本発明に従った測定装置の一実施例のブロック図を示した図である。図１１は、本発明に従った測定装置のトランスデューサユニットの概略断面を示した図である。図１は本発明における測定方法の測定装置の構成例を示している。トランスデューサユニット２を備えた測定装置１は、矢印に示すように超音波を送受信する。矢印の方向は伝播方向を示し、矢印の長さはそれぞれの超音波のエネルギと振幅をほぼ示している。測定対象物３は例えば、基板４を備え、測定対象の基板の正面５と背面６に層が配置されている。図示した例では、基板４は正面５に厚さｄ₇の層７を１つだけ備えている。測定装置１に伝送される超音波８．１、好ましくは短超音波インパルスは、周辺媒体（例えば空気）を通して測定対象物３に向って伝わる。通常、入射超音波８．１は、周辺媒体９と層７の間の境界面１０で一部反射する。反射した超音波８．２は反響波即ち反響インパルスとして測定装置１に戻る。入射超音波のうちの伝送された部分８．３は層７を通して、基板４に向って（或いは、図示しない第２の層があればそれに向って）伝わる。層７と基板４（或いは第２の層があれば層７と第２の層との）音響インピーダンスが異なる場合は、超音波の一部が再び反射する。このように、いくつかの反響波即ち反響インパルスが生成され、時間の関数としての測定信号として測定装置１に検出される。図１に示した測定装置の構成は、インパルス−反響モードにあるとき、即ち、測定装置１は単一のトランスデューサユニット２を備えており、まず、超音波伝送器として超音波８．１を伝送し、その後超音波受信器として反響波８．２、８．５を受信する。図１に対して、図２は送受信モードで測定する測定装置の構成を示す。測定装置１は２つのトランスデューサユニット２．１と２．２とを備え、第１のトランスデューサユニット２．１は超音波伝送器として、第２のトランスデューサユニット２．２は超音波トランスデューサとして用いられる。図３は、測定装置の第３の構成を示している。この構成は、（図２の測定装置の構成同様に）送受信モードで測定し、この場合測定対象物３は超音波伝送によって調べられる。この場合もまた、第１のトランスデューサユニット２．１は超音波８．１を伝送し、反響波即ち反響インパルス８．７、８．１１は測定対象物の境界面にとどまり、第２のトランスデューサ２．２によって受信される。本発明における方法は、その他の測定モードとともに用いることもできる。一方、空気は測定装置１と測定対象物３との間の媒体として用いることができ、他方、好適に選択された音響インピーダンスを有した別の結合媒体を用いてもよい。多くの用途において、空気が好ましく、特に、測定対象物３が結合媒体により損傷を受けたり汚染される場合はとくに好ましい。結合媒体は静止している必要はない。例えば、測定ユニット１の方向から測定対象物３に向って放出される１以上の水ジェットを通じて測定することもできる。図４は、時間ｔの関数として検出された信号Ａ（ｔ）の（単に２つの反響インパルス１１．１と１１．２だけを備えるために）振幅Ａの代表的な進行状況（pr ogression）を示している。次のような理由から、このような測定信号Ａ（ｔ）の解釈には問題がある。反響インパルス１１．１と１１．２の幅が広いために、その位置の正確な判定が困難である。それでもなお、この例では、２つの反響インパルス１１．１と１１．２は形状で互いに区別できる。しかしながら、測定されるのが薄い物体３の場合、測定信号Ａ（ｔ）は、反響インパルスが一致しているように見えて、ほとんど区別できない。図５は、このような測定信号Ａ（ｔ）を示しており、そこでは２つの異なる超音波インパルス１１．１と１１．２を肉眼で区別するのはもはや不可能である。それでも、本発明の測定方法であれば、注目する反射シーケンスを鋭角のピークとして得ることができる。既知の方法を用いると、測定対象の薄い物体３の厚さやその音響速度は、確証なく、しかも不正確に測定信号Ａ（ｔ）から決定できるだけか、まったくできない。本発明における測定方法では、検出された信号Ａ（ｔ）は、測定システムに依存した既知のシステム反応と、測定対象物に依存した求めたい反射シーケンスとの畳み込みとして解釈される。また、測定信号Ａ（ｔ）は、外乱として更に追加の雑音を有している。好適な進展アルゴリズムによって、測定信号Ａ（ｔ）は進展して、求めたい反射シーケンスが得られる。使用される進展アルゴリズムは、「物理的に知覚可能な」反射シーケンスの量はテスト課題に向って方向付けされる真の事前値の範囲を用いて限定することができるという前提に基づいている。現存の事前値の範囲に応じた、時間領域での実行された探索方策と直交化とにより、進展アルゴリズムは特に計算の効率が高い。測定信号Ａ（ｔ）は、一時的に移動したベースインパルス１２（小波（wavele ts)）に重複する重み付け付加値（additive）によって近似される。ベースインパルス１２の形状は好適な基準信号から導くことができる。図６に測定されたベースインパルス１２の一例を示す。これは、平坦なスチール表面のいくつかの基準測定値の平均である。ベースインパルス１２の重みと一時的な移動は、測定信号Ａ（ｔ）に対する誤差の２乗の和（最小自乗）を最小にすることによって最適に決定されるのが好ましい、即ち、測定信号Ａ（ｔ）と計算された信号の差の２乗の和が決定される。しかし、それ自体知られた別の最適化アルゴリズムを用いてもよい。計算と測定の精度は真のデジタル化速度を上回る。よって、特定の状況において、厚さ分解能は測定対象物に用いられる超音波の長さのほんの一部にすぎない。好適な閾値と単純な組み合せにより、注目する遅延時間が測定信号から正確に測定され、材料の厚さ、音響速度或いは段の高さといった測定対象物の相対的な特徴が、較正により測定信号から決定される。図７と図８とに、本発明による進展する信号ａ（ｔ）を示す。即ち、振幅ａを、例えば図４又は図５の測定信号に対応する時間関数ｔの中で示す。実際、測定信号は測定対象物３の異なる境界面の反響インパルスに対応した鋭角ピーク１３．１と１３．２を備える。よって、例えば第１のピーク１３．１は周辺媒体９と層７との間の境界面の反響インパルス８．２に対応し、第２のピーク１３．２は層７と基板４との境界面の反響インパルス８．５に対応する。正の振幅ａ＞０は音響インピーダンスの低い媒体とそれより高い音響インピーダンスの媒体との変化に対応し、負の振幅ａ＜０はそれと反対の場合に対応する。振幅の量|ａ|は、実際、境界面での音響インピーダンスの比と、超音波の音響崩壊によって与えられる。ピーク１３．１と１３．２はその鮮鋭度により、時間軸上での位置を確実に決定することができる。ピーク間のスペースは遅延時間差Δｔ₁対応する。音響速度Ｃ１が判明している場合は、求めたい層の厚さｄ₁は次の式に基づき、この遅延時間差から計算できる。ｄ₁＝ｃ₁Δｔ₁／２それぞれの場合において、添え字ｉは測定対象物３の媒体や層を示すものであり、例えばｄ₇は図１〜図３に示した層７の厚さである。層の厚さｄ₁が判明している場合は、音響速度ｃ₁はもちろん進展した信号ａ（ｔ）から決定できる。本発明による測定方法の厚さ測定範囲は非常に広い。下方の測定範囲は測定方法の分解能によって制限される。上述のように、分解能制限は、測定対象物３の超音波の長さよりやや小さい。上方の測定範囲は、測定対象物３の吸音力によって制限される。しかし、十分に振幅が大きい反響信号が検出可能である限り、本発明による方法で、反響インパルスが幅の半分に対して遠く離れている場合の測定信号Ａ（ｔ）を評価することも可能である。一般的に、超音波の崩壊に強く影響する材料の場合、例えば、金属鋳造、石工作業などでは、吸音力を限度内に抑えるために低超音波周波数を用いるのが好ましい。対照的に、超音波の崩壊にわずかに影響を与える材料、例えばセラミックの場合、できるだけ高分解能を得るためには高周波数を用いるのが好ましい。用いられる超音波インパルスの幅は測定課題に適応されるという利点がある。図９は、測定方法の特殊な実施形態を概略的に示したもので、図１と類似している。この実施形態は測定対象物３の表面５上の段１４を測定する実施例である。測定対象の段１４は測定対象物３の表面５を第１の部分的表面５．１と第２の部分的表面５．２とに分けている。超音波が測定対象物３の表面５上に伝送され、超音波の第１の部分８．１’が第１の部分的表面５．１に当たり、第２の部分８．１”が第２の部分的表面５．２に当たる。超音波の第１の部分８．１’及び第２の部分８．２”は部分的表面５．１及び５．２で部分的に反射し、反射した部分的超音波８．２’及び８．２”は上述のように検出されて評価される。実際、この方法の実施形態では、仮想の空中層１５の厚さｄ₁₅が第１の部分的表面５．１の上で測定されるという厚さ測定方法も用いている。図９に示す段１４は測定対象物３の表面５の３次元構造の特殊な例を示しているにすぎない。上述の段構造の測定同様、本発明の方法によって、測定対象物３の表面縦断面を、より一般的な態様で測定することができる。図１０は、本発明による測定装置１の一例としてのブロック図を概略的に示したものである。測定装置１は、例えば電気エネルギを超音波エネルギに及び／又は超音波エネルギを電気エネルギに変換する例えば圧電トランスデューサ等の２つのトランスデューサユニット２．１と２．２を有している。図１の例に示すように、測定装置１にトランスデューサユニット２を１つだけ設けるようにしてもよい。３つ以上のトランスデューサユニットを用いるのも効果的である。伝送ユニット１６は必要な電気信号を第１のトランスデューサユニット２．１に供給する。伝送ユニット１６は、例えば、どちらかといえば広帯域の放電パルス（スパイク）と、どちらかといえば狭帯域の単極性又は両極性の方形パルスシーケンス（トーン破裂（toneburst））或いは意図的に制御された伝送インパルスを発生することができる。受信ユニット１７はアナログフィルタとアンプとを備え、後者は例えば線形又は対数増幅を行うことができる。アナログ−デジタルトランスデューサ１８において、受信したアナログ電気信号がデジタル信号に変換される。制御と評価を行うために、メモリ（図示せず）を有したマイクロプロセッサ１９を用いることが好ましい。測定ユニット１が自律的（automonously）に用いられる用途では特に、例えばディスプレイなどのディスプレイユニット２０、モニタ或いはプリンタ及び／又は例えばキーボードなどの入力装置２１とを備えるのが好ましい。デイスプレイユニット２０と入力ユニット２１は、測定装置１とユーザ（図示せず）とのデータ交換のために用いられる。その他の用途では、本発明による測定装置１を、例えば製造ロボットなどの大型システム（図示せず）と一体化することができる。この場合、ディスプレイユニット２０と、入力ユニット２１を省いてもよく、測定装置１とシステムとの間のデータ交換は、それ自体知られたデータ回線を介して行われる。更に、測定装置１は測定データを記憶し、収容するための追加のメモリユニット２２を備えていてもよい。例えばテスト課題に向って方向付けされた事前値をこのようなメモリユニット２２内に保存して、その後の測定のためにユニット２２から検索するようにしてもよい。図１１は、本発明による測定装置１のトランスデューサユニット２の単純な実施形態の断面図である。トランスデューサユニット２は、電気エネルギを超音波エネルギに変換及び／又は超音波エネルギを電気エネルギに変換するための１つ以上の超音波トランスデューサ２３を備える。この目的のために、圧電効果又は磁歪効果を利用することができる。それに応じてトランスデューサ材料が選ばれる。特に、空中超音波測定装置について、それぞれの用途に適応可能な複合超音波トランスデューサを用いることは効果的である。超音波トランスデューサ２３は、機械的に超音波トランスデューサ２３を減衰して、短超音波インパルスを形成することを可能にする減衰体２４に固着しているのが好ましい。電気信号回線２５．１及び２５．２は超音波トランスデューサ２３を接続ソケット２６に接続する。電気信号回線２５．１及び２５．２は超音波トランスデューサ２３の出力を整合するための（図示しない）手段、例えば整合コイルを備えていてもよい。更に、トランスデューサユニット２はハウジング２７を備えている。超音波の伝播方向及びは波形に影響を与えるため、超音波トランスデューサ２は少なくとも１つの傾斜平坦面及び／又は少なくとも１つの曲面を有しているのがよい。図１１の例では、正面28が内側に向って球形に湾曲しており、その結果入射球形波の形状をとる、即ち集束する伝送用超音波となる。位相表面２９．１、２９．２及び２９．３を有する、このように伝送される球形波８．１を、図１１に概略的に示す。トランスデューサユニット２を最適化するために、超音波トランスデューサ２３は好適な音響インピーダンスを有した整合層３０を備えていてもよい。整合層の１つ以上の境界面が、できれば超音波トランスデューサ２３とは異なるように、傾斜しているか湾曲しているのがよい。このようにすると、今度は、超音波の伝播方向及び/又は波形が影響を受け、例えば、超音波は整合層３０の球形境界面を介して集束する。保護層３１を設けて、トランスデューサユニット２の様々な構成部材２３〜２７を望ましくない外部の物理的及び／又は化学的影響から守るようにしてもよい。要すれば、超音波によって測定対象物３を特徴付けるための、本発明にかかる方法では、少なくとも１つの超音波８．１は測定装置１によって伝送される。測定対象物３の境界面（５，１０）で反射する反響波８．２と８．５が、測定信号Ａ（ｔ）として測定装置１によって検出される。測定信号Ａ（ｔ）をデジタル化して、一時的に移動したベースインパルス１２と重複する重み付け付加物によってテスト課題に対して方向付けされる事前値範囲によって限定を設定された進展解析を時間領域内で施すことにより、測定対象物３の特徴は、反響波８．２、８．５の遅延時間差Δｔから決定される。本発明における測定装置１は、この方法を実行するために、電気エネルギを超音波エネルギに変換し及び/又は超音波エネルギを電気エネルギに変換するための少なくとも１つの超音波トランスデューサ２３を備えた少なくとも１つのトランスデューサユニット２と、トランスデューサユニット２に電気信号を供給する超音波伝送ユニット１６と、超音波受信ユニット１７と、アナログ電気信号をデジタル信号に変換するためのアナログ−デジタルトランスデューサ１８と、制御と評価のためのマイクロプロセッサ１９とを備えている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims

【特許請求の範囲】１．測定対象物（３）を超音波によって特徴付ける方法であって、少なくとも１つの超音波（８．１）を測定装置（１）によって伝送し、測定対象物（３）の境界面（５，１０）で反射した反響波（８．２，８．５）を測定信号（Ａ（ｔ））として前記測定装置（１）により検出し、前記測定信号（Ａ（ｔ））を、デジタル化して、テスト課題に向って方向付けされた事前値範囲によって範囲が限定された進展解析を時間領域内で行い、重み付けされた付加を一時的に移動したベースインパルス（１２）と重複させることにより、前記測定対象物（３）の特徴を前記音波（８．２，８．５）の遅延時間差（Δｔ）から決定する方法。２．前記ベースインパルス（１２）前記の重み付けと前記一時的移動を、前記測定信号（Ａ（ｔ））と前記計算された信号との差の２乗の和を最小にすることによって決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。３．前記ベースインパルス（１２）の形状を、較正又は計測測定値から得ることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。４．前記ベースインパルス（１２）の形状が、前記遅延時間に依存することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。５．直交化及び実行される探索方策を進展解析に用い、これにより進展解析の計算を効果的にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。６．前記測定対象物（３）の特徴を更に、別の測定対象物を特徴付けるときに、テスト課題に向って方向付けされた事前値として用いることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。７．前記進展解析において、真のデジタル化速度を測定分解能から計算上分離し、もってデジタル化の真の速度を上回る計算及び測定の精度を得ることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。８．前記超音波（８．１，８．２，８．５，８．７，８．１１）が、前記測定装置（１）と前記測定対象物（３）の間の空中に伝播することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。９．前記超音波（８．１，８．２，８．５，８．７，８．１１）が、前記測定装置（１）と前記測定対象物（３）との間の少なくとも１つの接触媒体中に伝播することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。１０．前記超音波（８．１，８．２，８．５，８．７，８．１１）が、前記測定装置（１）と前記測定対象物（３）との間の少なくとも１つの水ジェット中に伝播することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。１１．前記測定対象物（３）の音響速度（ｃ_i）が判明している場合に、厚さ（ｄ_i）を前記測定対象物（３）の特徴として、遅延時間差（Δｔ）から決定することを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。１２．前記測定対象物（３）の厚さ（ｄ_i）が判明している場合に、音響速度（ｃ_i）を、前記測定対象物（３）の特徴として、遅延時間差（Δｔ）から決定することを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。１３．前記測定対象物（３）の表面（５）の段（１４）の高さ（ｄ₁₅）を、前記測定対象物（３）の特徴として決定することを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。１４．請求項１に記載の方法を実行するための測定装置であって、電気エネルギを超音波エネルギ及び/又は超音波エネルギを電気エネルギに変換するための少なくとも１つの超音波トランスデューサ（２３）を備えた少なくとも１つのトランスデューサ（２）と、トランスデューサユニット（２）に電気信号を供給するための超音波伝送ユニット（１６）と、超音波受信ユニット（１７）と、アナログ電気信号をデジタル信号に変換するためのアナログ−デジタルトランスデューサユニット（１８）と、制御と評価のためのマイクロプロセッサシステム（１９）とを備える測定装置。１５．少なくとも１つの圧電或いは磁歪超音波トランスデューサ（２３）を備えたことを特徴とする請求項１４に記載の測定装置。１６．少なくとも１つの複合超音波トランスデューサ（２３）を備えたことを特徴とする請求項１５に記載の測定装置。１７．前記少なくとも１つの超音波トランスデューサ（２３）が、超音波（８．１）の伝播方向及び/又は波形に影響を与えるための、少なくとも１つの平坦傾斜面及び/又は少なくとも１つの曲面（２８）を備えたことを特徴とする請求項１４〜１６の何れか一項に記載の測定装置。１８．前記少なくとも１つの超音波トランスデューサ（２３）が、超音波（８．１）を集束させるための少なくとも１つの球形面（２８）を有することを特徴とする請求項１７に記載の測定装置。１９．前記少なくとも１つの超音波トランスデューサ（２３）が、好適な音響インピーダンスを有する少なくとも１つの整合層（３０）を備えたことを特徴とする請求項１４〜１８の何れか一項に記載の測定装置。２０．前記少なくとも１つの整合層（３０）が、少なくとも１つの平坦な傾斜面及び/又は少なくとも１つの曲面を有し、超音波の伝播方向及び/又は波形に影響を及ぼすことを特徴とする請求項１９に記載の測定装置。２１．前記少なくとも１つの整合層（３０）が、超音波を集束させるために少なくとも１つの球形面を有することを特徴とする請求項２０に記載の測定装置。２２．前記超音波伝送ユニット（１６）が、放電パルス（スパイク）と、単極性又は両極性パルスシーケンス（トーン破裂）又は意図的に制御された伝送インパルスとを生成することを特徴とする請求項１４〜２１の何れか一項に記載の測定装置。２３．前記超音波受信ユニット（１７）が、アナログフィルタステージとアンプステージとを備えたことを特徴とする請求項１４〜２２に記載の測定装置。２４．ディスプレイユニット（２０）と入力ユニット（２１）とを備えたことを特徴とする請求項１４〜２３の何れか一項に記載の測定装置。