特許 7199182 超音波測定装置及び超音波測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-22

(45)【発行日】2023-01-05

(54)【発明の名称】超音波測定装置及び超音波測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/07 20060101AFI20221223BHJP

【ＦＩ】

G01N29/07

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018165286

(22)【出願日】2018-09-04

(65)【公開番号】P2020038119

(43)【公開日】2020-03-12

【審査請求日】2021-08-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】392036153

【氏名又は名称】菱電湘南エレクトロニクス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003687

【氏名又は名称】東京電力ホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003166

【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100101133

【弁理士】

【氏名又は名称】濱田 初音

(74)【代理人】

【識別番号】100199749

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 成

(74)【代理人】

【識別番号】100188880

【弁理士】

【氏名又は名称】坂元 辰哉

(74)【代理人】

【識別番号】100197767

【弁理士】

【氏名又は名称】辻岡 将昭

(74)【代理人】

【識別番号】100201743

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 和真

(72)【発明者】

【氏名】木村 友則

(72)【発明者】

【氏名】坂本 明弘

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 英章

(72)【発明者】

【氏名】加藤 勇

(72)【発明者】

【氏名】友田 亮一

(72)【発明者】

【氏名】山田 亮

(72)【発明者】

【氏名】須田 一成

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－０４３３６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９６９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２８０７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１４９６５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１１－０８３５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－２１６９１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２

Ｇ０１Ｖ １／００ － Ｇ０１Ｖ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状部に超音波を送信する送信探触子と、
前記板状部から超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、
前記受信探触子により得られた電気信号を受信信号として受信する受信部と、
前記受信部により受信された受信信号の数、及び、当該受信信号の継続時間と基準値との差に基づいて、前記板状部に接する液体の有無を判定する液体有無判定部と
を備えた超音波測定装置。

【請求項2】

前記液体有無判定部は、前記受信部により受信された受信信号の数が複数であると判定した場合に、前記板状部に接する液体が有ると判定する
ことを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。

【請求項3】

前記液体有無判定部は、受信信号の数が複数ではないと判定した場合、当該受信信号の継続時間が基準値より長い場合に、前記板状部に接する液体が有ると判定する
ことを特徴とする請求項２記載の超音波測定装置。

【請求項4】

前記液体有無判定部は、受信信号の数が複数ではないと判定し且つ当該受信信号の継続時間が基準値より長くは無いと判定した場合、当該受信信号の振幅が閾値より小さい場合に、前記板状部に接する液体が有ると判定する
ことを特徴とする請求項３記載の超音波測定装置。

【請求項5】

前記受信部により受信された受信信号の周波数スペクトルに基づいて、前記板状部に接する液体の深さを推定する液体深さ推定部を備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか１項記載の超音波測定装置。

【請求項6】

前記液体深さ推定部は、前記液体有無判定部により受信信号の数が複数ではないと判定され且つ液体が有ると判定された場合に、当該受信信号の周波数スペクトルからピーク周波数を算出し、当該ピーク周波数から当該液体の深さを推定する
ことを特徴とする請求項５記載の超音波測定装置。

【請求項7】

前記受信部により受信された受信信号及び前記液体有無判定部による判定結果を示す情報を表示する表示部を備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れか１項記載の超音波測定装置。

【請求項8】

板状部に超音波を送信する送信探触子と、前記板状部から超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記受信探触子により得られた電気信号を受信信号として受信する受信部とを備えた超音波測定装置による超音波測定方法であって、
液体有無判定部が、前記受信部により受信された受信信号の数、及び、当該受信信号の継続時間と基準値との差に基づいて、前記板状部に接する液体の有無を判定するステップを有する
ことを特徴とする超音波測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、超音波を用いて板状部に接する液体の有無の判定を行う超音波測定装置及び超音波測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、老朽化した各種の機器に対して、適切な維持管理が求められている。例えば、配電設備の一つである柱上開閉器は、電柱の上部に設置されており、構造としては密封された金属箱である。この柱上開閉器は、長期間使用すると、パッキン又は外枠の腐食等によって内部に雨水が浸入する。そして、柱上開閉器の滞水が限度を超えると停電等の事故に繋がるため、外部から浸水の有無を簡易に判定できる技術が求められている。
ここで、目視又は打音では浸水の有無を測定できない機器に対する上記判定としては、電磁波を用いた方法が挙げられる。しかしながら、柱上開閉器に対する上記判定は、金属箱の内部に対する判定であるため、電磁波を用いることは困難であり、超音波を用いた技術が期待されている。

【0003】

超音波を用い、金属箱の内部における浸水の有無を判定する技術は、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された技術では、超音波の送受信を送信用の超音波探触子と受信用の超音波探触子とで行い、その際の受信信号の振幅を用いて浸水の有無を判定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開２０１７／１４９６５８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一方、浸水が有る場合と無い場合とで受信信号の振幅の差が小さい場合がある。そのため、受信信号の振幅のみを用いた浸水の有無判定では、浸水の有無が判定できない場合がある。

【0006】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、液体が有る場合と無い場合とで受信信号の振幅の差が小さい場合でも、液体の有無を判定可能な超音波測定装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この発明に係る超音波測定装置は、板状部に超音波を送信する送信探触子と、板状部から超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、受信探触子により得られた電気信号を受信信号として受信する受信部と、受信部により受信された受信信号の数、及び、当該受信信号の継続時間と基準値との差に基づいて、板状部に接する液体の有無を判定する液体有無判定部とを備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

この発明によれば、上記のように構成したので、液体が有る場合と無い場合とで受信信号の振幅の差が小さい場合でも、液体の有無を判定可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置の構成例を示す図である。

【図2】この発明の実施の形態１における信号処理部の構成例を示す図である。

【図3】この発明の実施の形態１における信号処理部のハードウェア構成例を示す図である。

【図4】図４Ａ～図４Ｃは、この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置で受信される受信信号と水の有無及び水深との関係の一例を示す概念図である。

【図5】図５Ａ、図５Ｂは、この発明の実施の形態１における送信探触子の応答特性の一例を示す図である。

【図6】この発明の実施の形態１における送信探触子により送信された超音波の分散特性の一例を示す図である。

【図7】この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置のシミュレーション条件を説明する図である。

【図8】図８Ａ～図８Ｇは、この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置のシミュレーションで得られた受信信号を示す図である。

【図9】図８に示す受信信号の振幅と水深との関係を示す図である。

【図10】この発明の実施の形態１における信号処理部の動作例を示すフローチャートである。

【図11】図１１Ａ、図１１Ｂは、この発明の実施の形態１における液体有無判定部による受信信号のカウント方法の一例を示す図である。

【図12】図１２Ａ、図１２Ｂは、この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置で受信される受信信号の継続時間が基準値より短い場合と長い場合の例を示す図である。

【図13】図１３Ａ～図１３Ｈは、この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置で受信される受信信号及び尾引き部分での周波数スペクトルと水深との関係の一例を示す図である。

【図14】図１３に示す受信信号のピーク周波数と水深との関係を示す図である。

【図15】この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置において、水は有るが、水面からの反射波が受信されない場合の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る超音波測定装置１の構成例を示す図である。
超音波測定装置１は、超音波を用いて、金属箱２の内部における水１０の有無の判定を行う。図１に示す超音波測定装置１では、上記水１０の有無の判定に加え、水深の推定も行う。なお図１では、金属箱２の内部を図示し、金属箱２が浸水している場合を示し、ｄは水深を表している。以下では、液体が水１０である場合を示すが、その他の液体でもよい。また以下では、超音波測定装置１の測定対象が金属箱２である場合を示すが、これに限らず、測定対象は、箱等のように液体を留めておくことが可能な形状であり、且つ、当該液体が接する部分に板状部が存在する物体であればよい。
この超音波測定装置１は、図１に示すように、送信探触子１１、受信探触子１２、送信部１３、受信部１４及び信号処理部１５を備えている。また図１に示す超音波測定装置１では、送信部１３、受信部１４及び信号処理部１５が、送受信器１６に内包されている。

【0011】

送信探触子１１は、金属箱２の底面（板状部）に取付けられ、超音波を金属箱２の底面の内部に送信する超音波探触子である。送信探触子１１により送信される超音波は、継続時間が有限なパルス波である。
受信探触子１２は、金属箱２の底面に送信探触子１１と間隙を設けて取付けられ、超音波を金属箱２の底面から受信して電気信号に変換する超音波探触子である。

【0012】

送信部１３は、信号処理部１５からの制御信号に応じた励振信号（電気信号）を発生して送信探触子１１に出力し、送信探触子１１を励振する。
受信部１４は、受信探触子１２により得られた電気信号を受信信号として受信する。この際、受信部１４は、必要に応じて受信信号を増幅してもよい。

【0013】

信号処理部１５は、送信部１３を制御し、また、受信部１４により受信された受信信号に基づいて、金属箱２の内部における水１０の有無の判定及び水深の推定を行う。この信号処理部１５は、図２に示すように、制御部１５１、格納部１５２、読出部１５３、液体有無判定部１５４、液体深さ推定部１５５及び表示部１５６を有している。

【0014】

制御部１５１は、制御信号を生成して送信部１３に出力する。
格納部１５２は、受信部１４により受信された受信信号を格納する。また、格納部１５２は、液体有無判定部１５４による判定結果を示す情報及び液体深さ推定部１５５による推定結果を示す情報も適宜格納する。
読出部１５３は、格納部１５２に格納されている受信信号を読出す。

【0015】

液体有無判定部１５４は、読出部１５３により読出された受信信号に基づいて、金属箱２の内部における水１０の有無を判定する。この液体有無判定部１５４は、上記受信信号の数が複数であると判定した場合に、水１０が有ると判定する。また、液体有無判定部１５４は、上記受信信号の数が複数ではないと判定した場合であって、当該受信信号の継続時間が基準値より長いと判定した場合に、水１０が有ると判定する。また、液体有無判定部１５４は、上記受信信号の継続時間が基準値より長くはないと判定した場合であって、当該受信信号の振幅が閾値より小さいと判定した場合に、水１０が有ると判定する。一方、液体有無判定部１５４は、上記受信信号の振幅が閾値より小さくはないと判定した場合には、水１０が無いと判定する。

【0016】

液体深さ推定部１５５は、読出部１５３により読出された受信信号に基づいて、金属箱２の内部における水深を推定する。この液体深さ推定部１５５は、液体有無判定部１５４により上記受信信号の数が複数であると判定されて水１０が有ると判定された場合に、当該受信信号の時間差から水深を推定する。また、液体深さ推定部１５５は、液体有無判定部１５４により上記受信信号の数が複数ではないと判定され且つ水１０が有ると判定された場合に、当該受信信号の周波数スペクトルから水深を推定する。

【0017】

なお、液体深さ推定部１５５は、上記のように、金属箱２の内部における水深を推定する。一方、金属箱２の内部の形状が既知であれば、金属箱２の内部における水深から金属箱２の内部における水量も推定可能である。よって、信号処理部１５は、液体深さ推定部１５５により推定された水深に基づいて、金属箱２の内部における水量を推定する機能（液体量推定部）を有していてもよい。

【0018】

表示部１５６は、読出部１５３により読出された受信信号、液体有無判定部１５４による判定結果を示す情報及び液体深さ推定部１５５による推定結果を示す情報を表示する。
なおここでは、表示部１５６が超音波測定装置１の内部に設けられた場合を示している。しかしながら、これに限らず、表示部１５６は超音波測定装置１の外部に設けられていてもよい。

【0019】

なお、図２では、超音波測定装置１が液体深さ推定部１５５を備えた場合を示している。しかしながら、これに限らず、超音波測定装置１は液体深さ推定部１５５を備えていなくてもよい。以下では、超音波測定装置１が液体深さ推定部１５５を備えていることを前提として説明を行う。

【0020】

次に、信号処理部１５のハードウェア構成例について、図３を参照しながら説明する。
信号処理部１５は、例えば、パーソナルコンピュータ又はワークステーション等のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）内蔵のコンピュータを用いて実現可能である。また、信号処理部１５は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）又はＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）を用いて実現されてもよい。

【0021】

図３の例では、信号処理部１５の実現手段として、ＣＰＵを含むプロセッサ５０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）５０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）５０３、記録媒体５０４、送受信インタフェース回路５０５、表示インタフェース回路５０６及び表示器５０７が設けられている。また、プロセッサ５０１、ＲＯＭ５０２、ＲＡＭ５０３、記録媒体５０４、送受信インタフェース回路５０５、表示インタフェース回路５０６及び表示器５０７は、バス回路等の信号路５０８を介して相互に接続されている。

【0022】

プロセッサ５０１は、制御部１５１、読出部１５３、液体有無判定部１５４及び液体深さ推定部１５５を実現するものであり、ＲＡＭ５０３を作業用メモリとして使用してＲＯＭ５０２から読出された超音波測定用のコンピュータプログラムを実行する。記録媒体５０４は、格納部１５２を実現するものであり、例えば、ＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＤＲＡＭ）等の揮発性メモリ、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）又はＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）を用いて構成される。送受信インタフェース回路５０５は、送信部１３との間での信号伝達及び受信部１４との間での信号伝達に使用される回路である。表示インタフェース回路５０６は、表示器５０７との間での信号伝達に使用される回路である。

【0023】

表示器５０７は、表示部１５６を実現するものである。なお、表示器５０７における表示方法は特に限定されず、数値を数字で表示してもよいし、ＬＥＤランプの明るさで表示してもよい。

【0024】

次に、実施の形態１に係る超音波測定装置１の動作原理について説明する。
実施の形態１に係る超音波測定装置１では、図１に示すように、送信探触子１１が金属箱２の底面の内部に超音波を送信する。これにより、金属箱２の底面の内部で、超音波（板波）が伝搬する。この超音波は、継続時間が有限なパルス波である。その後、受信探触子１２によりこの超音波が受信される。ここで、超音波が金属箱２の底面の内部だけを伝搬する経路を第１経路（図１の符号１０１で示される経路）とする。

【0025】

一方、金属箱２の内部に水１０が有る場合、金属箱２の底面の内部を伝搬している超音波の一部が水１０の中にも伝搬していく。その後、この超音波は水面で反射されて金属箱２の底面に戻り、再び金属箱２の底面の内部を伝搬する。このように、超音波が金属箱２の底面の内部だけではなく水１０の中にも伝搬する経路を第２経路（図１の符号１０２で示される経路）とする。

【0026】

このように、金属箱２が浸水した場合、超音波の伝搬経路としては第１経路及び第２経路の２つの経路がある。ここで、第２経路は水１０の中を伝搬する時間が存在するため、受信探触子１２では、第１経路を伝搬した超音波よりも遅れて第２経路を伝搬した超音波を受信する。この際の遅延時間は水深によって変化し、例えば図４のようになる。

【0027】

図４は超音波測定装置１で受信された受信信号を模擬的に示したものである。図４Ａは、金属箱２の内部に水１０が無い場合での受信信号を示している。また、図４Ｂは、金属箱２の内部に水１０が少量有り、水深が水中での超音波の波長以下又は同程度である場合（水深が浅い場合）での受信信号を示している。また、図４Ｃは、金属箱２の内部に水１０が大量に有り、水深が水中での超音波の波長に比べて十分に大きい場合（水深が十分に深い場合）での受信信号を示している。なお図４において、λは水中での超音波の波長を表し、水中での超音波の波長は水中での音速と超音波の周波数とで決まる。

【0028】

金属箱２の内部に水１０が無い場合には、第２経路は存在しないため、第１経路を伝搬した超音波のみが受信探触子１２により受信される。そのため、図４Ａに示すように、受信信号は１つであり、非常に簡単な受信波形となる。

【0029】

一方、金属箱２の内部に水１０が有り、水深が浅い場合には、第１経路を伝搬した超音波と第２経路を伝搬した超音波とが重なり合うような状態となる。そのため、図４Ｂに示すように、受信信号は複雑な受信波形となる。

【0030】

また、金属箱２の内部に水１０が有り、水深が十分に深い場合には、第１経路を伝搬した超音波と第２経路を伝搬した超音波とが明確に分離される。そのため、図４Ｃに示すように、受信部１４で受信信号が複数受信される。
なお、図４Ｃに示すように、第２経路を伝搬した超音波は１つだけとは限らず、複数の超音波が伝搬することが考えられる。これは、超音波が水面と金属箱２の底面との間で反射を繰返して伝搬するためである。図４Ｃでは、符号４０１で示されるように、第２経路を伝搬した超音波が３つ存在している。

【0031】

次に、超音波測定装置１で受信される受信信号が水深に対してどのように変化するのかをシミュレーションで検討する。
図５はシミュレーションで用いた送信探触子１１の応答特性を示す図である。図５に示すように、送信探触子１１の中心周波数は０．５ＭＨｚで比較的広帯域なものとした。なお、中心周波数を０．５ＭＨｚとした理由は、金属箱２の外部に厚さ４００μｍ程度の塗膜が有る場合でも対応可能とするためである。また、送信探触子１１の中心周波数は０．５ＭＨｚであるため、水中での超音波の波長は約３ｍｍとなる。

【0032】

また、図５に示す送信探触子１１により送信された超音波が金属箱２の底面を伝搬する際の分散特性（位相速度）を図６に示す。図６において、金属箱２の底面の材質は鋼とし且つ底面の厚さを２．３ｍｍとした。また、実際には、高次モードの板波が多数伝搬するが、図６では２次モードまで示すものとした。
図６に示すように、超音波は、周波数によって位相速度が変化する。シミュレーションでは中心周波数を０．５ＭＨｚとしているので、この場合にはＡ０モードの位相速度が約２４５０ｍ／ｓとなる。そこで、以下では、位相速度が２４５０ｍ／ｓの板波を用いた場合について検討することとする。

【0033】

そして、位相速度が２４５０ｍ／ｓのＡ０モードの板波を送受信した場合での受信信号を、シミュレーションで求めた。
シミュレーション条件を図７に示す。図７に示すように、金属箱２の底面に送信探触子１１と受信探触子１２とを対向させて設置し、送信探触子１１と受信探触子１２との間の距離を１００ｍｍとした。また、金属箱２の底面の内側及び外側には塗膜７０１，７０２があるとした。塗膜７０１の厚さは５０μｍとし、塗膜７０２の厚さは４００μｍとした。

【0034】

水深を変えてシミュレーションを行い、受信信号を求めた結果を図８に示す。
図８Ａに示すように、水１０が無い場合（ｄ＝０ｍｍ）には、受信信号は１つとなり、簡単な受信波形となる。なお、図４Ａでは振幅がプラス側だけの受信信号として模擬的に示したが、実際には図８Ａに示すような交流波形となる。

【0035】

また、例えば図８Ｂに示すように、水深が浅い場合（図８Ｂではｄ＝０．８ｍｍ）には、受信信号の振幅が大幅に低減する。これは、第１経路を伝搬した超音波と第２経路を伝搬した超音波とが位相干渉で打ち消し合う条件となっているためである。
また、例えば図８Ｃの場合（ｄ＝１．６ｍｍ）には、受信信号が、水１０が無い場合と同様の振幅となっている。これは、第１経路を伝搬した超音波と第２経路を伝搬した超音波とが位相干渉で強め合う条件となっているためである。
また、例えば図８Ｄ、図８Ｅの場合（ｄ＝２．４ｍｍ、ｄ＝３．０ｍｍ）には、受信信号は複雑な受信波形となっている。
すなわち、水深が水中での超音波の波長（約３ｍｍ）以下又は同程度である場合には、受信信号の波形は複雑になることが分かる。

【0036】

一方、図８Ｆの場合（ｄ＝５．０ｍｍ）には、第１経路を伝搬した超音波と第２経路を伝搬した超音波とが分離してくる。
また、図８Ｇの場合（ｄ＝７．０ｍｍ）には、第１経路を伝搬した超音波と第２経路を伝搬した超音波とが明確に分離してくる。また、図８Ｇでは、第２経路を伝搬した超音波は１つだけではなく、複数有ることが分かる。図８Ｇにおいて、符号８０１が第１経路を伝搬した超音波を示し、符号８０２が第２経路を伝搬した超音波を示している。

【0037】

次に、図８に示す受信信号の振幅（相対エコー高さ）と水深との関係を図９に示す。図９では、各振幅を水１０が無い場合（ｄ＝０ｍｍ）での振幅で規格化している。
図９に示すように、水深が浅い場合には、振幅は複雑な特性を示す。これは上述したように、第１経路を伝搬した超音波と第２経路を伝搬した超音波とが位相干渉するためである。一方、水深が深くなり、４ｍｍ以上となると、受信信号の振幅はほとんど変化しない。
このように、受信信号の振幅だけでは、水深を推定する以前に、水１０の有無を判定すること自体が困難である。例えば、ｄ＝０ｍｍの場合とｄ＝１．６ｍｍの場合とでは受信信号の振幅はほとんど同じであり、両者を振幅のみで識別することは非常に困難である。

【0038】

一方、受信信号の数、受信信号の継続時間及び受信信号の振幅という情報を効果的に用いれば、水１０の有無を判定可能である。また、受信信号の尾引き部分の周波数スペクトルを用いれば、水１０が浅い場合での深さ推定も可能である。
以下、実施の形態１における信号処理部１５の動作例について、図１０を参照しながら説明する。なお、送信探触子１１は超音波を金属箱２の底面に送信し、受信探触子１２はこの超音波を金属箱２の底面から受信して電気信号に変換し、受信部１４はこの電気信号を受信信号として受信し、格納部１５２はこの受信信号を格納している。

【0039】

実施の形態１における信号処理部１５の動作例では、まず、読出部１５３は、格納部１５２に格納されている受信信号を読出す（ステップＳＴ１００１）。

【0040】

次いで、液体有無判定部１５４は、読出部１５３により読出された受信信号の数をカウントし、当該受信信号の数が複数であるかを判定する（ステップＳＴ１００２，ＳＴ１００３）。

【0041】

ここで、液体有無判定部１５４による受信信号のカウント方法の一例を図１１に示す。図１１では、受信信号を模擬的にプラス側だけ示しており、液体有無判定部１５４が受信信号の振幅のピーク（図１１に示す矢印）の数をカウントすることで、受信信号の数をカウントする方法を示している。図１１Ａでは振幅のピークが１つである場合を示し、図１１Ｂでは振幅のピークが４つである場合を示している。なお、液体有無判定部１５４による受信信号のカウント方法としては、図１１に示す振幅のピークの数を用いる方法に限らず、例えば、振幅変化の数又は振幅の微分値等を用いる方法を採用してもよい。なおここでは、送信探触子１１の応答特性が図５に示すような簡単なものであり、単一の信号としてみなすことができる場合を想定している。一方、送信探触子１１の応答特性そのものが複雑であり、複数の信号としてみなされる場合は適用範囲外である。

【0042】

このステップＳＴ１００３において、液体有無判定部１５４は、受信信号の数が複数であると判定した場合には、金属箱２の内部に水１０が有ると判定する（ステップＳＴ１００４）。例えば図８Ｇの場合（ｄ＝７．０ｍｍ）のように、受信信号が複数有れば、第２経路を伝搬した超音波が存在することになるので、液体有無判定部１５４は水１０が有ると判定できる。

【0043】

次いで、液体深さ推定部１５５は、読出部１５３により読出された受信信号の時間差から金属箱２の内部に有る水深を推定する（ステップＳＴ１００５）。なお、液体深さ推定部１５５による受信信号の時間差を用いた深さ推定は、従来から知られる既存技術を適用可能であり、その詳細については説明を省略する。その後、シーケンスは終了する。

【0044】

一方、ステップＳＴ１００３において、液体有無判定部１５４は、受信信号の数が複数ではないと判定した場合には、当該受信信号の継続時間を算出する（ステップＳＴ１００６）。

【0045】

次いで、液体有無判定部１５４は、受信信号の継続時間が基準値より長いかを判定する（ステップＳＴ１００７）。なお、基準値は、送信探触子１１の応答特性に基づいて設定される。例えば送信探触子１１の応答特性が図５に示す特性である場合、その時間波形から受信信号の継続時間は約６μｓとなるので、基準値はこの値に基づいて設定される。

【0046】

このステップＳＴ１００７において、液体有無判定部１５４は、受信信号の継続時間が基準値より長いと判定した場合には、金属箱２の内部に水１０が有ると判定する（ステップＳＴ１００８）。
図１２に、受信信号が１つであり、受信信号の継続時間が基準値より短い場合と長い場合の例を示す。図１２において、符号１２０１は基準値を表している。図１２Ｂがシミュレーションで求めたｄ＝２．０ｍｍでの受信信号であり、受信信号の継続時間が基準値よりも長くなっている。このような場合は、水面からの反射波が受信信号に影響を及ぼしているので、液体有無判定部１５４は水１０が有ると判定できる。なお、基準値の開始位置は受信信号の立上がり部分とし、これは超音波の群速度及び送信探触子１１と受信探触子１２との間の距離に基づいて決められる。

【0047】

次いで、液体深さ推定部１５５は、読出部１５３により読出された受信信号のうちのゲート内の周波数スペクトルを算出する（ステップＳＴ１００９）。ゲートは、読出部１５３により読出された受信信号のうちの基準値を超えた点から開始し、適宜設定された点で終了するよう設定される。

【0048】

次いで、液体深さ推定部１５５は、周波数スペクトルからピーク周波数を算出する（ステップＳＴ１０１０）。

【0049】

次いで、液体深さ推定部１５５は、ピーク周波数から金属箱２の内部に有る水深を推定する（ステップＳＴ１０１１）。この際、液体深さ推定部１５５は、予め得られているピーク周波数と水深との関係から、水深を推定する。その後、シーケンスは終了する。

【0050】

この場合の受信波形は、第１経路を伝搬した超音波と第２経路を伝搬した超音波が干渉して複雑となるので、受信信号の振幅だけでは水深を推定することは困難である。そこで、尾引き部分の周波数スペクトルを用いる。ここで、尾引き部分とは、受信信号のうちの基準値を超えた部分である。図１３に、受信信号と尾引き部分の周波数スペクトルの一例を示す。図１３では、尾引き部分にゲートを掛けて示している。図１３において、符号１３０１が基準値を表し、符号１３０２がゲートを表している。

【0051】

図１３に示すように、尾引き部分の周波数スペクトルは水深によって異なる。顕著な特徴として、水深によってピーク周波数が変化していく。図１３では、ｄ＝１．０ｍｍ～ｄ＝１．６ｍｍまでの受信信号及び周波数スペクトルを示しており、水深が深くなるとピーク周波数が低下していく様子が分かる。

【0052】

図１３に示すピーク周波数と水深との関係を図１４に示す。
図１４に示すように、ｄ＝１．６ｍｍ程度までは水深の増加に伴いピーク周波数は低下していく。一方、ｄ＝１．８ｍｍになると急激に増加するが、これは位相が周期性を有しているためである。また、ｄ＝１．８ｍｍからｄ＝２．６ｍｍ程度までは水深の増加に伴いピーク周波数は低下していく。
液体深さ推定部１５５は、この特性を用いることで、水深を推定することが可能である。例えば、液体深さ推定部１５５は、尾引き部分の周波数スペクトルを求め、ピーク周波数が０．４ＭＨｚだった場合には図１４から「水深１．３ｍｍ」と求めることができる。

【0053】

なお、図１４に示した特性は、水中での音速を１４８０ｍ／ｓとし、位相速度が約２４５０ｍ／ｓであるＡ０モードの超音波を厚さ２．３ｍｍの鋼板に伝搬させた場合の特性である。この特性は、種々の要因によって変化する。例えば、温度によって水中での音速が変化した場合、金属箱２の底面の厚さが２．３ｍｍよりも僅かに薄い場合又は厚い場合、又は、金属箱２の材質が鋼ではなく他の金属であるような場合には、この特性は変化する。このように、水深とピーク周波数との関係は種々の要因によって変化するものであり、図１４に示した特性は、あくまで一例である。

【0054】

一方、ステップＳＴ１００７において、液体有無判定部１５４は、受信信号の継続時間が基準値より長くはないと判定した場合には、当該受信信号の振幅を算出する（ステップＳＴ１０１２）。
受信信号が１つであり、且つ、受信信号の継続時間が基準値より短い場合には、２つのケースが考えられる。１つは、図１２Ａに示したように、水１０が無い場合である。もう１つは、水１０は有るが、第２経路を伝搬した超音波が受信探触子１２で受信されない場合である。後者の一例を、図１５に示す。図１５に示すように、水１０が大量に浸入していると、受信探触子１２の位置によっては水面からの反射波が受信探触子１２の位置よりも遠くに戻ってくる場合があり、この場合、第２経路を伝搬した超音波は受信探触子１２では受信できない。図１５において、符号１５０１が第１経路を表し、符号１５０２が第２経路を表している。また、金属箱２が傾斜して、送信探触子１１及び受信探触子１２から見ると水面が傾斜しているような場合にも、水面からの反射波が所望の方向に戻らず、第２経路を伝搬した超音波が受信探触子１２では受信されない場合がある。これも、「水１０は有るが、第２経路を伝搬した超音波が受信探触子１２では受信されない場合」に含まれる。

【0055】

次いで、液体有無判定部１５４は、算出した受信信号の振幅が閾値より小さいかを判定する（ステップＳＴ１０１３）。すなわち、液体有無判定部１５４は、上記の２つのケースを識別するため、受信信号の振幅を閾値と比較する。ここで、水１０が有れば板波のエネルギーは水１０の中へ伝搬するので、第１経路を伝搬した超音波に基づく受信信号の振幅は、水１０が無い場合と比較すると小さくなる。したがって、液体有無判定部１５４は、受信信号の振幅が閾値より小さい場合、水１０が有ると判定する。なお、閾値は、水１０が無い場合での受信信号の振幅に基づいて決められる。この決め方は、試験体を用いて決めてもよいし、計算で求めた値を用いてもよい。

【0056】

このステップＳＴ１０１３において、液体有無判定部１５４は、受信信号の振幅が閾値より小さいと判定した場合には、金属箱２の内部に水１０が有ると判定する（ステップＳＴ１０１４）。その後、シーケンスは終了する。

【0057】

一方、ステップＳＴ１０１３において、液体有無判定部１５４は、受信信号の振幅が閾値より小さくはないと判定した場合には、金属箱２の内部に水１０は無いと判定する（ステップＳＴ１０１５）。すなわち、液体有無判定部１５４は、受信信号が１つであり、受信信号の継続時間が短く、且つ、受信信号の振幅が大きい、という３つの条件を満足するとき、水１０が無いと判定する。その後、シーケンスは終了する。

【0058】

なお、表示部１５６は、読出部１５３により読出された受信信号、液体有無判定部１５４による判定結果を示す情報及び液体深さ推定部１５５による推定結果を示す情報を表示する。また、格納部１５２は、液体有無判定部１５４による判定結果を示す情報及び液体深さ推定部１５５による推定結果を示す情報を適宜格納する。

【0059】

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波測定装置１は、板状部に超音波を送信する送信探触子１１と、板状部から超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子１２と、受信探触子１２により得られた電気信号を受信信号として受信する受信部１４と、受信部１４により受信された受信信号の数及び当該受信信号の継続時間に基づいて、板状部に接する液体の有無を判定する液体有無判定部１５４とを備えた。これにより、実施の形態１に係る超音波測定装置１は、液体が有る場合と無い場合とで受信信号の振幅の差が小さい場合でも、液体の有無を判定可能である。

【0060】

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

【符号の説明】

【0061】

１ 超音波測定装置、２ 金属箱、１０ 水、１１ 送信探触子、１２ 受信探触子、１３ 送信部、１４ 受信部、１５ 信号処理部、１６ 送受信器、１５１ 制御部、１５２ 格納部、１５３ 読出部、１５４ 液体有無判定部、１５５ 液体深さ推定部、１５６ 表示部、５０１ プロセッサ、５０２ ＲＯＭ、５０３ ＲＡＭ、５０４ 記録媒体、５０５ 送受信インタフェース回路、５０６ 表示インタフェース回路、５０７ 表示器、５０８ 信号路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】