特許 7657523 振動子の検査装置および検査方法

(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】2025-03-28

(45)【発行日】2025-04-07

(54)【発明の名称】振動子の検査装置および検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/52 20060101AFI20250331BHJP

【ＦＩ】

G01S7/52 U

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021059233

(22)【出願日】2021-03-31

(65)【公開番号】P2022155821

(43)【公開日】2022-10-14

【審査請求日】2024-03-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(74)【代理人】

【識別番号】100141678

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】澁澤 利夫

(72)【発明者】

【氏名】堀野 直己

【審査官】佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－１４０２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２２１８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１０４６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０６５７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００４５６１１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／５２－ ７／６４

Ｇ０１Ｓ １５／００－１５／９６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送受信周波数を所定の周波数範囲にわたってスイープしながら超音波を水中へ送波するとともに受波して電気信号に変換する手段と、
前記電気信号を処理してエコー信号強度の平均値を計算するとともに前記所定の周波数範囲に前記エコー信号強度の平均値のピークが存在するか否かに基づいて前記超音波を水中へ送波するとともに受波する振動子の健全性を判定する手段と、を有し、
前記エコー信号強度の平均値が発振線を含む所定範囲におけるエコー信号強度の平均値であり、
前記発振線は自己の送信パルスの回り込みに相当する、
ことを特徴とする振動子の検査装置。

【請求項2】

前記所定の周波数範囲の下限側の第１の周波数ｆlwおよび上限側の第２の周波数ｆupが、下記の数式１Ａ乃至１Ｃ
（数１Ａ） ｆwd＝ｆ0／Ｑ
（数１Ｂ） ｆlw＝ｆ0－ｆwd／２
（数１Ｃ） ｆup＝ｆ0＋ｆwd／２
ただし、 ｆwd：送受信周波数をスイープさせる周波数範囲の幅
ｆ0 ：振動子の共振周波数
Ｑ ：振動子のＱ値
によって決定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動子の検査装置。

【請求項3】

前記エコー信号強度の平均値の最大値をＩmax、前記第１の周波数ｆlwにおける前記エコー信号強度の平均値をＩflw、さらに前記第２の周波数ｆupにおける前記エコー信号強度の平均値をＩfupとし、また、強度しきい値をＴiとして、下記の条件１
（条件１） Ｉmax－Ｉflw≧Ｔi 且つ Ｉmax－Ｉfup≧Ｔi
が成立する場合に前記振動子は正常であると判定し、前記条件１が成立しない場合に前記振動子に異常が発生していると判定し、
前記強度しきい値Ｔiが、５～７ｄＢの範囲のうちのいずれかの値に設定される、
ことを特徴とする請求項２に記載の振動子の検査装置。

【請求項4】

送受信周波数を所定の周波数範囲にわたってスイープしながら超音波を水中へ送波するとともに受波して電気信号に変換する処理と、
前記電気信号を処理してエコー信号強度の平均値を計算するとともに前記所定の周波数範囲に前記エコー信号強度の平均値のピークが存在するか否かに基づいて前記超音波を水中へ送波するとともに受波する振動子の健全性を判定する処理と、を有し、
前記エコー信号強度の平均値が発振線を含む所定範囲におけるエコー信号強度の平均値であり、
前記発振線は自己の送信パルスの回り込みに相当する、
ことを特徴とする振動子の検査方法。

【請求項5】

前記所定の周波数範囲の下限側の第１の周波数ｆlwおよび上限側の第２の周波数ｆupが、下記の数式１Ａ乃至１Ｃ
（数１Ａ） ｆwd＝ｆ0／Ｑ
（数１Ｂ） ｆlw＝ｆ0－ｆwd／２
（数１Ｃ） ｆup＝ｆ0＋ｆwd／２
ただし、 ｆwd：送受信周波数をスイープさせる周波数範囲の幅
ｆ0 ：振動子の共振周波数
Ｑ ：振動子のＱ値
によって決定される、
ことを特徴とする請求項４に記載の振動子の検査方法。

【請求項6】

前記エコー信号強度の平均値の最大値をＩmax、前記第１の周波数ｆlwにおける前記エコー信号強度の平均値をＩflw、さらに前記第２の周波数ｆupにおける前記エコー信号強度の平均値をＩfupとし、また、強度しきい値をＴiとして、下記の条件１
（条件１） Ｉmax－Ｉflw≧Ｔi 且つ Ｉmax－Ｉfup≧Ｔi
が成立する場合に前記振動子は正常であると判定し、前記条件１が成立しない場合に前記振動子に異常が発生していると判定し、
前記強度しきい値Ｔiが、５～７ｄＢの範囲のうちのいずれかの値に設定される、
ことを特徴とする請求項５に記載の振動子の検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、振動子の検査装置および検査方法に関し、具体的には、水中へと送波した超音波が水底や物標で反射した反射波に基づいて水深の測定や水中の物標の探知を行う測深機や探知機の振動子を検査する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、水中へと送波した超音波が反射した反射波に基づいて水中探知を行う技術として、第１送信信号を生成する第１生成手段と、第１送信信号よりも長いパルス幅の第２送信信号を生成する第２生成手段と、送信信号に基づく超音波を水中へ送波し、水中で反射した反射波を受波して受信信号に変換する送受波器へ、第１および第２生成手段が生成した送信信号を出力する出力手段と、送受波器から出力された第１送信信号に係る第１受信信号に基づいて、魚または水深を検出する水中検出手段と、送受波器から出力された第２送信信号に係る第２受信信号に基づいて、海底の底質を判別する底質判別手段と、を備える水中探知装置が知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－２２５６５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、船舶に搭載される測深機や探知機の振動子は、主に外的要因（具体的には、水圧による長期間の加圧、荒天下でのパンチングによる衝撃、海洋生物の付着など）や経年劣化によって特性が変化するため定期的な点検と清掃が必要であり、著しい性能低下がみられた場合は交換しなければならない。従来は、測深機や探知機を搭載している対象船にデータ取得担当の技師が訪船してＳＷＲ計などの計測器を使用して振動子の特性を計測し、その結果をデータ分析担当の技術者が検証して振動子の健全性を判断するという手順がふまれる。すなわち、振動子の性能確認には、ＳＷＲ計などの計測器と技師・技術者とが必須であり、多大な手間および時間ならびに多額の費用がかかるとともに訪船タイミングの調整が必要である、という問題がある。さらに、測深機や探知機の振動子は船底に装備されるため、レーダのパフォーマンスモニタのように別系統の受信機を追加装備することができない、という問題がある。

【0005】

そこでこの発明は、測深機や探知機の振動子の検査を容易に実施することが可能な、振動子の検査装置および検査方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、この発明に係る振動子の検査装置は、送受信周波数を所定の周波数範囲にわたってスイープしながら超音波を水中へ送波するとともに受波して電気信号に変換する手段と、前記電気信号を処理してエコー信号強度の平均値を計算するとともに前記所定の周波数範囲に前記エコー信号強度の平均値のピークが存在するか否かに基づいて前記超音波を水中へ送波するとともに受波する振動子の健全性を判定する手段と、を有し、前記エコー信号強度の平均値が発振線を含む所定範囲におけるエコー信号強度の平均値であり、前記発振線は自己の送信パルスの回り込みに相当する、ことを特徴とする。

【0007】

また、この発明に係る振動子の検査方法は、送受信周波数を所定の周波数範囲にわたってスイープしながら超音波を水中へ送波するとともに受波して電気信号に変換する処理と、前記電気信号を処理してエコー信号強度の平均値を計算するとともに前記所定の周波数範囲に前記エコー信号強度の平均値のピークが存在するか否かに基づいて前記超音波を水中へ送波するとともに受波する振動子の健全性を判定する処理と、を有し、前記エコー信号強度の平均値が発振線を含む所定範囲におけるエコー信号強度の平均値であり、前記発振線は自己の送信パルスの回り込みに相当する、ことを特徴とする。

【0008】

この発明に係る振動子の検査装置や振動子の検査方法は、前記所定の周波数範囲の下限側の第１の周波数ｆlwおよび上限側の第２の周波数ｆupが、下記の数式１Ａ乃至１Ｃによって決定される、ようにしてもよい。
（数１Ａ） ｆwd＝ｆ0／Ｑ
（数１Ｂ） ｆlw＝ｆ0－ｆwd／２
（数１Ｃ） ｆup＝ｆ0＋ｆwd／２
ただし、 ｆwd：送受信周波数をスイープさせる周波数範囲の幅
ｆ0 ：振動子の共振周波数
Ｑ ：振動子のＱ値

【0009】

この発明に係る振動子の検査装置や振動子の検査方法は、前記エコー信号強度の平均値の最大値をＩmax、前記第１の周波数ｆlwにおける前記エコー信号強度の平均値をＩflw、さらに前記第２の周波数ｆupにおける前記エコー信号強度の平均値をＩfupとし、また、強度しきい値をＴiとして、下記の条件１が成立する場合に前記振動子は正常であると判定し、下記の条件１が成立しない場合に前記振動子に異常が発生していると判定し、前記強度しきい値Ｔiが、５～７ｄＢの範囲のうちのいずれかの値に設定される、ようにしてもよい。
（条件１） Ｉmax－Ｉflw≧Ｔi 且つ Ｉmax－Ｉfup≧Ｔi

【発明の効果】

【0010】

この発明に係る振動子の検査装置や振動子の検査方法によれば、測深機や探知機自身が振動子の検査に纏わる各種処理を実行して振動子の健全性を判定することができるので、測深機や探知機を搭載している対象船への技師・技術者の訪船は不要であり、振動子の性能確認にかかる手間，時間，および費用を低減・短縮することが可能となり、延いては測深機や探知機の振動子の検査を容易に実施することが可能となる。また、測深機や探知機自身が振動子の健全性を判定することができるので、振動子の健全性を即時的に確認することが可能となり、延いては振動子の検査手法としての有用性の向上を図ることが可能となる。

【0011】

この発明に係る振動子の検査装置や振動子の検査方法は、送受信周波数をスイープさせる周波数範囲が振動子の共振周波数およびＱ値に基づいて決定されるようにした場合には、エコー信号強度の平均値のピークの探索／検出範囲を適切に設定することが可能となり、延いては振動子の検査手法としての信頼性の向上を図ることが可能となる。

【0012】

この発明に係る振動子の検査装置や振動子の検査方法は、エコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxと第１の周波数ｆlwにおけるエコー信号強度の平均値Ｉflwと強度しきい値Ｔiとの間、および、エコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxと第２の周波数ｆupにおけるエコー信号強度の平均値Ｉfupと強度しきい値Ｔiとの間に上記の条件１が成立するか否かによって振動子の健全性を判定するようにした場合には、振動子の健全性を適切に判定することが可能となり、延いては振動子の検査手法としての信頼性の向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】この発明の実施の形態に係る振動子の検査装置の概略構成を示す機能ブロック図である。

【図2】この発明の実施の形態に係る振動子の検査方法の処理手順を示すフロー図である。

【図3】共振周波数とＱ値に関係する周波数帯域の幅との間の関係を説明する図である。

【図4】発振線範囲におけるエコー信号強度の平均値の変動の態様と送受波部の超音波振動子の健全性の判定との間の関係の例を示す模式図である。

【図5】送受波部の超音波振動子の健全性を判定する手順（判定方法２）を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。図１は、この発明の実施の形態に係る振動子の検査装置１の概略構成を示す機能ブロック図である。また、図２は、この発明の実施の形態に係る振動子の検査方法の処理手順を示すフロー図である。

【0015】

振動子の検査装置１は、水中へと送波した超音波が水底や物標（例えば、魚群）で反射した反射波に基づいて水深の測定や水中の物標の探知を行う測深機／探知機／ソナーなど（以下、「測深機等」と表記する）の振動子を検査するための機序であり、前記測深機等に、当該の測深機等の振動子の検査に纏わる各種処理を実行する機能が付加されて構成される。

【0016】

このため、振動子の検査装置１は、水中へと送波した超音波が水底や物標で反射した反射波に基づいて水深を測定したり水中の物標を探知したりするための機序（つまり、一般的な測深機等としての機序）と振動子の検査に纏わる各種処理を実行するための機序（即ち、この発明に特有の機序）とを備え、この実施の形態では、送受波部２，送受信部３，処理部４，検査演算部５，記憶部６，表示部７，および出力部８を有する。

【0017】

上記も踏まえ、以下では、この発明の特徴的な構成について主に説明し、一般的な測深機等として機能するための従来と同様の構成であってこの発明の特徴的な構成とは関係のない構成については説明を省略する。

【0018】

送受波部２は、単数もしくは複数の送受波素子としての超音波振動子（図示省略）を有し、超音波を送信／送波および受信／受波する機能を備える。送受波部２は、例えば、船舶の船底に配設されて、水中へと超音波を送信／送波し、水中の標的で反射した反射波を含む超音波を受信／受波する。

【0019】

送受波部２の超音波振動子は、外部から供給される電気信号を超音波に変換するとともに送信波として水中へと送信／送波し、また、前記超音波が水中の標的で反射して戻ってくる反射波を含む超音波を受信波として受信／受波するとともに前記受信波を電気信号に変換して出力する。

【0020】

送受信部３は、切替回路３１，送信回路３２，受信回路３３，検波回路３４，およびＡ／Ｄ変換器３５を有する。

【0021】

切替回路３１は、送受波部２の超音波振動子と送信回路３２および受信回路３３との間に介在し、送受波部２および送受信部３の動作を送信と受信との間で切り替える機能を備える。

【0022】

送信回路３２は、各超音波振動子に対応して設けられて、処理部４によって制御されることにより、送受波部２から送波される超音波／送信波のもととなる、言い換えると、送受波部２（具体的には、超音波振動子）を駆動させるための、駆動信号（別言すると、送
信信号，送信トリガパルス信号）を生成して出力する。

【0023】

送信回路３２から出力される駆動信号は、送信回路３２から送受波部２へと信号が送られる接続に切替回路３１が切り替わることにより、前記切替回路３１を介して送受波部２へと供給される。

【0024】

送信回路３２から出力される駆動信号によって送受波部２の超音波振動子が駆動して超音波が水中へと送波される。そして、送受波部２から送波された超音波が水底や物標で反射して戻ってくる反射波を含む超音波が送受波部２によって受波され電気信号に変換されて出力される。

【0025】

送受波部２から出力される電気信号は、送受波部２から受信回路３３へと信号が送られる接続に切替回路３１が切り替わることにより、前記切替回路３１を介して受信回路３３へと伝送される。

【0026】

受信回路３３は、受信信号を生成する機能を備える。受信回路３３は、具体的には、送受波部２から出力される電気信号の入力を受け、前記電気信号を増幅したり帯域を制限して不要な周波数成分（即ち、ノイズ）を除去したりしたうえで受信信号として出力する。

【0027】

検波回路３４は、受信回路３３から出力される受信信号の入力を受け、前記受信信号に対して検波処理を施して受信信号の包絡線データを検出して、振幅情報をエコー信号強度（尚、アナログ信号である）として出力する。検波処理自体は周知の技術であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

【0028】

Ａ／Ｄ変換器３５（Ａnalog－to－Ｄigital converter）は、検波回路３４から出力されるアナログのエコー信号強度の入力を受け、前記アナログのエコー信号強度を所定の時間間隔でサンプリングしてアナログ－デジタル変換処理を行い、デジタル信号に変換されたエコー信号強度を出力する。

【0029】

処理部４は、振動子の検査装置１を構成する各部を統制して制御などする機能を備え、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃentral Ｐrocessing Ｕnit の略）を含んで構成されたり、ＦＰＧＡ（Ｆield Ｐrogrammable Ｇate Ａrray の略）によって構成されたりする。

【0030】

処理部４は、サンプリング回路４１を有するとともに、検査演算部５が構成される。

【0031】

サンプリング回路４１は、送受信部３（具体的には、Ａ／Ｄ変換器３５）から出力されるデジタル信号に変換されたエコー信号強度の入力を受け、検査演算部５（具体的には、サンプリングタスク５２）からの制御信号に基づいて、前記エコー信号強度のうち、振動子の検査に用いるエコー信号強度を記憶部６に記録・蓄積させる。

【0032】

なお、送受信部３の検波回路３４およびＡ／Ｄ変換器３５ならびに処理部４のサンプリング回路４１は、ＤＳＰ（Ｄigital Ｓignal Ｐrocessor の略）によって構成されたり、ＦＰＧＡ（Ｆield Ｐrogrammable Ｇate Ａrray の略）などのＰＬＤ（Ｐrogrammable Ｌogic Ｄevice の略）によって構成されたりするようにしてもよい。

【0033】

検査演算部５は、例えば記憶部６に格納されている所定のプログラムが処理部４によって実行されることによって実現される、振動子の検査に纏わる各種処理を実行するためのタスク群であり、具体的には、送受信部３（具体的には、Ａ／Ｄ変換器３５）から出力されサンプリング回路４１を介して記憶部６に記録・蓄積されているエコー信号強度データ
に基づいて送受波部２の超音波振動子の検査を行う。検査演算部５は、周波数制御タスク５１，サンプリングタスク５２，計算タスク５３，および判定タスク５４を有する。

【0034】

記憶部６は、各種の情報，プログラム，およびデータなどを記憶する記憶領域となる機能や、処理部４が振動子の検査に纏わる演算処理を実行する際に生成されるデータや情報を一時的に記憶などするための作業領域となる機能を備え、例えば、ＲＯＭ（Ｒead Ｏnly Ｍemory の略），ハードディスク（ＨＤＤ：Ｈard Ｄisk Ｄrive の略），ＲＡＭ（Ｒandom Ａccess Ｍemory の略）などの記憶装置や記憶素子によって構成される。

【0035】

表示部７は、検査演算部５による振動子の検査の結果などを表示する機能を備え、例えば液晶ディスプレイによって構成される。

【0036】

そして、実施の形態に係る振動子の検査装置１は、送受信周波数を所定の周波数範囲にわたってスイープしながら超音波を水中へ送波するとともに受波して電気信号に変換する手段としての送受波部２と、前記電気信号を処理してエコー信号強度の平均値を計算するとともに前記所定の周波数範囲にエコー信号強度の平均値のピークが存在するか否かに基づいて超音波を水中へ送波するとともに受波する送受波部２の超音波振動子の健全性を判定する手段としての検査演算部５と、を有し、エコー信号強度の平均値が発振線を含む所定範囲におけるエコー信号強度の平均値である、ようにしている。

【0037】

また、実施の形態に係る振動子の検査方法は、送受信周波数を所定の周波数範囲にわたってスイープしながら超音波を水中へ送波するとともに受波して電気信号に変換する処理（ステップＳ１～Ｓ４）と、前記電気信号を処理してエコー信号強度の平均値を計算する処理（ステップＳ５）と、前記所定の周波数範囲にエコー信号強度の平均値のピークが存在するか否かに基づいて超音波を水中へ送波するとともに受波する送受波部２の超音波振動子の健全性を判定する処理（ステップＳ６）と、を有し、エコー信号強度の平均値が発振線を含む所定範囲におけるエコー信号強度の平均値である、ようにしている。

【0038】

検査演算部５の周波数制御タスク５１は、送信回路３２（具体的には、各超音波振動子に対応して設けられる送信回路のそれぞれ）へと指令を出して送信周波数を制御しながら前記送信回路３２に駆動信号を生成させ、また、受信回路３３へと指令を出して前記受信回路３３の受信周波数を前記送信周波数に合わせて制御する。なお、送受波部２が複数の超音波振動子を有する場合には、振動子の検査は１超音波振動子ごとに繰り返し実行される。

【0039】

周波数制御タスク５１は、送受波部２の超音波振動子から送波される超音波パルスの周波数、および、送受波部２の超音波振動子が受波する超音波の周波数帯域を所定の周波数範囲にわたってスイープするように制御する（ステップＳ１）。周波数制御タスク５１が送受信周波数をスイープする際の前記所定の周波数範囲の幅ｆwdは、送受波部２の超音波振動子の共振周波数ｆ0とＱ値とに基づいて決定される。

【0040】

ここで、機械的な共振の尖鋭度を表す量であるＱ値と、共振周波数ｆ0と、ピーク値から－３ｄＢの点の周波数帯域の幅「ｆ2－ｆ1」との間には下記の数式２の関係が成り立つ（図３参照）。なお、ピーク値から－３ｄＢの点は、ピーク（即ち、共振周波数ｆ0におけるレベル）に対して、振幅が１／√(２)で、エネルギーが１／２になる位置である。
（数２） Ｑ＝ｆ0／(ｆ2－ｆ1)

【0041】

この発明が適用され得る共振周波数ｆ0やＱ値は、特定の値に限定されるものではないものの、あくまで一例として挙げると、共振周波数ｆ0が２００ｋＨｚでＱ値が１６程度であったり、共振周波数ｆ0が５０ｋＨｚでＱ値が３８程度であったりすることが考えら
れる。

【0042】

図３や上記の数式２に示すＱ値と共振周波数ｆ0と上記周波数帯域の幅「ｆ2－ｆ1」との間の関係によれば、送受波部２の超音波振動子から送波される超音波のレベルには、延いては、送受波部２の超音波振動子が受波する超音波のレベルには、周波数ｆ1から周波数ｆ2までの範囲において明らかな１つのピーク（即ち、単峰分布のピーク）が存在すると考えられる。そこでこの発明は、周波数ｆ1から周波数ｆ2までの範囲においてエコー信号強度のピーク（単峰分布のピーク）が存在するか否かに基づいて送受波部２の超音波振動子の健全性を判定する。

【0043】

具体的には、周波数ｆ1から周波数ｆ2までの範囲において、所定の条件を満たすエコー信号強度のピーク（単峰分布のピーク）が存在する場合には送受波部２の超音波振動子は正常であると判断し、前記所定の条件を満たすエコー信号強度のピークが存在しなかったり所定の条件を満たすエコー信号強度の谷が存在したりする場合には送受波部２の超音波振動子に異常が発生していると判断する。

【0044】

上記をふまえ、周波数制御タスク５１は、第１の周波数ｆlw（言い換えると、下限の周波数）から第２の周波数ｆup（言い換えると、上限の周波数）までの範囲で送受信周波数をスイープさせるように送信回路３２および受信回路３３を制御する。第１の周波数ｆlwおよび第２の周波数ｆupは、下記の数式３Ａ乃至３Ｃに従って決定される。
（数３Ａ） ｆwd＝ｆ0／Ｑ
（数３Ｂ） ｆlw＝ｆ0－ｆwd／２
（数３Ｃ） ｆup＝ｆ0＋ｆwd／２
ただし、 ｆwd：図３におけるｆ1からｆ2までに相当する周波数帯域の幅であり、
送受信周波数をスイープさせる周波数範囲の幅
ｆ0 ：送受波部２の超音波振動子の共振周波数
Ｑ ：送受波部２の超音波振動子のＱ値
ｆlw：送受信周波数をスイープさせる周波数範囲の第１の周波数
ｆup：送受信周波数をスイープさせる周波数範囲の第２の周波数
なお、第１の周波数ｆlw＜第２の周波数ｆup である。

【0045】

ここで、上述のとおりピーク値から－３ｄＢの点はピークに対して振幅が１／√(２)となるので、ｆlwからｆupまでの範囲で送受信周波数を変化させると、送信感度と受信感度とがともに－３ｄＢとなって送受合計で－６ｄＢとなり、エコー信号強度が半減する程度には変動する計算になる（即ち、１／√(２) ／√(２)＝０．５）。

【0046】

なお、超音波振動子の共振周波数ｆ0はばらつくことも考えられるので、上記の数式３Ａ乃至３Ｃで計算される第１の周波数ｆlwおよび第２の周波数ｆupのそれぞれに対して例えば１～３ｋＨｚ程度のマージンが減算されたり加算されたりしたうえで最終的な第１の周波数ｆlwおよび第２の周波数ｆupが設定されるようにしてもよい。

【0047】

周波数制御タスク５１が送受信周波数をスイープする際の周波数変化量Δｆ（つまり、周波数の変化ピッチ）は、特定の値に限定されるものではなく、例えば第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲で送受信周波数をスイープしながら行う振動子の検査にかかる全時間が考慮されるなどしたうえで、適当な値に適宜設定される。周波数変化量Δｆは、具体的には例えば、０．１～１．０ｋＨｚ程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが考えられる。

【0048】

周波数制御タスク５１の制御に従って送信回路３２から出力される駆動信号によって送受波部２の超音波振動子が駆動して超音波が水中へと送波され、前記超音波の反射波を含
む超音波が送受波部２によって受波され電気信号に変換されて出力される（ステップＳ２）。

【0049】

サンプリングタスク５２は、サンプリング回路４１へと指令を出して、周波数制御タスク５１からの指令に基づいて送受波部２が振動子の検査のための超音波の送波および受波を行っている間にＡ／Ｄ変換器３５から出力されてサンプリング回路４１へと伝送されるエコー信号強度を記憶部６に記録・蓄積させる（ステップＳ３）。

【0050】

サンプリングタスク５２は、すなわち、周波数制御タスク５１からの指令に基づいて第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまで周波数変化量Δｆずつ変化させた各周波数での超音波の送波および受波が行われている間（ステップＳ４：Ｎｏ）のエコー信号強度を記憶部６に記録・蓄積させ、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまで送受信周波数のスイープが完了した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）に振動子の検査の処理手順をステップＳ５の処理へと進める。

【0051】

サンプリングタスク５２の働きにより、記憶部６には、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの、前記第１の周波数ｆlwから周波数変化量Δｆずつ変化させた各周波数でのエコー信号強度が記録・蓄積される。

【0052】

計算タスク５３は、エコー信号強度のうち発振線を含む所定範囲（「発振線範囲」と呼ぶ）におけるエコー信号強度の平均値を計算する（ステップＳ５）。

【0053】

発振線は自己の送信パルスの回り込みに相当する部分であり、発振線範囲におけるエコー信号強度は主に自己の送信パルスの回り込みの信号強度に対応すると理解される。すなわち、通常の水深の測定や水中の物標の探知を行う際の手順では水中の標的で反射した反射波を受波して信号処理を行うのに対し、この発明に係る振動子の検査では、自己の送信パルスの回り込みを受波して信号処理を行うことにより、送受波部２の超音波振動子の健全性の判定を行う。

【0054】

計算タスク５３は、具体的には、記憶部６に記録・蓄積されている各周波数でのエコー信号強度を読み込み、前記各周波数のそれぞれについて、発振線範囲におけるエコー信号強度の平均値を計算する。

【0055】

発振線範囲（具体的には、水深）の下限値および上限値は、特定の値に限定されるものではなく、超音波振動子が正常である場合に第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲においてエコー信号強度の平均値のピークが良好に現れ得ることが考慮されるなどしたうえで適当な値に適宜設定される。具体的には例えば、発振線範囲の下限値は０～１．０ｍ程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが考えられ、発振線範囲の上限値は０．５～１．０ｍ程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが考えられる（但し、下限値≦上限値）。なお、下限値と上限値とが同じ値に設定されて、特定の水深におけるエコー信号強度が発振線範囲におけるエコー信号強度の平均値として用いられるようにしてもよい。

【0056】

なお、送受波部２による送波・受波１回分のデータが用いられて発振線範囲におけるエコー信号強度の平均値が求められるようにしてもよく、或いは、送受波部２による送波・受波複数回分のデータが用いられて発振線範囲におけるエコー信号強度の平均値が求められるようにしてもよい。

【0057】

ここで、計算タスク５３は上述のとおり発振線範囲のエコー信号強度を使用するところ、発振線範囲のエコー信号強度は通常は強いことが想定される。そこで、発振線範囲のエ
コー信号強度（具体的には、平均値）が飽和レベル未満になるように、振動子の検査の手順が開始される前に、送信出力が調節される（具体的には、低減させられる）ようにしてもよい（ステップＳ０）。

【0058】

具体的には、送受波部２による振動子の検査のための超音波の送波および受波が行われる前に（即ち、ステップＳ１の前に）、送信出力の調節のため、送受信周波数が共振周波数ｆ0に固定されたうえで送受波部２による超音波の送波および受波が行われるとともに計算タスク５３による発振線範囲のエコー信号強度の平均値の計算が行われる。

【0059】

そして、前記発振線範囲のエコー信号強度の平均値が飽和レベル以上となった場合には、ＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation の略) ｄｕｔｙ比を低下させて、共振周波数ｆ0のまま送受波部２による超音波の送波および受波があらためて（別言すると、繰り返し）行われるとともに計算タスク５３による発振線範囲のエコー信号強度の平均値の計算があらためて（別言すると、繰り返し）行われる。

【0060】

そのうえで、発振線範囲のエコー信号強度の平均値が飽和レベル未満となった場合に、そのときのＰＷＭ ｄｕｔｙ比を固定して（ステップＳ０）、振動子の検査の手順としての送受波部２による超音波の送波および受波が行われる（ステップＳ１）。

【0061】

計算タスク５３は、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの、前記第１の周波数ｆlwから周波数変化量Δｆずつ変化させた周波数と、発振線範囲におけるエコー信号強度の平均値との組み合わせデータを出力する。

【0062】

判定タスク５４は、計算タスク５３から出力される周波数とエコー信号強度の平均値との組み合わせデータの入力を受け、前記組み合わせデータを用いて送受波部２の超音波振動子の健全性（即ち、正常か異常か）を判定する（ステップＳ６）。

【0063】

判定タスク５４は、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲にエコー信号強度の平均値の妥当／適切なピークが存在するか否かに基づいて送受波部２の超音波振動子の健全性を判定する。判定タスク５４における判定手法は、特定の手法には限定されるものではなく、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲にエコー信号強度の平均値の妥当／適切なピークが存在するか否かを的確に判断し得る手法・手順であれば、どのような手法・手順であってもよい。

【0064】

判定タスク５４は、具体的には例えば、下記の２つの判定方法のうちのどちらか一方に従って送受波部２の超音波振動子の健全性を判定するようにしてもよい。

【0065】

（判定方法１）
上記の周波数とエコー信号強度の平均値との組み合わせデータのうちの、エコー信号強度の平均値の最大値をＩmax、第１の周波数ｆlwにおけるエコー信号強度の平均値をＩflw、さらに第２の周波数ｆupにおけるエコー信号強度の平均値をＩfupとし、また、強度しきい値をＴiとして、下記の条件１が成立する場合に送受波部２の超音波振動子は正常であると判定し、下記の条件１が成立しない場合に送受波部２の超音波振動子に異常が発生していると判定する。
（条件１） Ｉmax－Ｉflw≧Ｔi 且つ Ｉmax－Ｉfup≧Ｔi （但し、Ｔi＞０）

【0066】

強度しきい値Ｔiは、特定の値に限定されるものではなく、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲にエコー信号強度の平均値のピークが存在するか否かを的確に判断し得ることが考慮されるなどしたうえで適当な値に適宜設定される。強度しきい値Ｔiは、具体的には例えば、５～７ｄＢ程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが
考えられる（図３および同図に関係する上記の説明も参照）。

【0067】

発振線範囲におけるエコー信号強度の平均値の変動の態様と送受波部２の超音波振動子の健全性の判定との間の関係の典型例の模式図を図４に示す。同図（Ａ）は、エコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxと第１の周波数ｆlwにおけるエコー信号強度の平均値Ｉflwとの差が強度しきい値Ｔi以上（即ち、Ｉmax－Ｉflw≧Ｔi）であるとともにエコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxと第２の周波数ｆupにおけるエコー信号強度の平均値Ｉfupとの差が強度しきい値Ｔi以上（即ち、Ｉmax－Ｉfup≧Ｔi）であり、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲にエコー信号強度の平均値の妥当／適切なピークが存在する場合の例である。すなわち、図４（Ａ）は、送受波部２の超音波振動子が正常である場合の例である。

【0068】

図４（Ｂ）は、エコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxと第１の周波数ｆlwにおけるエコー信号強度の平均値Ｉflwとの差が強度しきい値Ｔi未満（即ち、Ｉmax－Ｉflw＜Ｔi；但し、０より大きい）であるとともにエコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxと第２の周波数ｆupにおけるエコー信号強度の平均値Ｉfupとの差が強度しきい値Ｔi未満（即ち、Ｉmax－Ｉfup＜Ｔi；但し、０より大きい）であり、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲にエコー信号強度の平均値の妥当／適切なピークが存在しない場合の例である。すなわち、図４（Ｂ）は、送受波部２の超音波振動に異常が発生している場合の例である。

【0069】

図４（Ｃ）は、第１の周波数ｆlwにおけるエコー信号強度の平均値Ｉflwおよび第２の周波数ｆupにおけるエコー信号強度の平均値Ｉfupよりも小さいエコー信号強度の平均値が存在し、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲に、上に凸のピークとなっているエコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxが存在しない一方で、下に凸のピークとなっているエコー信号強度の平均値の谷が存在して、エコー信号強度の平均値の妥当／適切なピークが存在しない場合の例である。すなわち、図４（Ｃ）は、送受波部２の超音波振動に異常が発生している場合の例である。

【0070】

（判定方法２）
下記の手順１乃至９に従って送受波部２の超音波振動子の健全性を判定する（図５参照）。下記の手順１乃至４は、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupへと向かって順次行われる。そのうえで、下記の手順５乃至９が行わる。

【0071】

下記の説明では、周波数ｆにおけるエコー信号強度の平均値をＩavg(ｆ)とする。また、Δｆは送受信周波数をスイープする際の周波数変化量（つまり、周波数の変化ピッチ）であり、Ｉavg(ｆ＋Δｆ)はＩavg(ｆ)と隣り合う次のエコー信号強度の平均値であり、Ｉavg(ｆ－Δｆ)はＩavg(ｆ)と隣り合う１つ前のエコー信号強度の平均値である。

【0072】

〈手順１〉
ΔＩn(ｆ)＝Ｉavg(ｆ＋Δｆ)－Ｉavg(ｆ)を計算する。

【0073】

〈手順２〉
ΔＩb(ｆ)＝Ｉavg(ｆ)－Ｉavg(ｆ－Δｆ)を計算する。

【0074】

〈手順３〉
ΔＩb(ｆ)≧０ 且つ ΔＩn(ｆ)≦０ が成立する場合に、Ｉavg(ｆ)の点をピークとする（図５中の符号ｐの点）。

【0075】

〈手順４〉
ΔＩb(ｆ)＜０ 且つ ΔＩn(ｆ)＞０ が成立する場合に、Ｉavg(ｆ)の点を谷とする（図５中の符号ｔの点）。

【0076】

〈手順５〉
上記の手順３によって検出されるピークのうちの最大の値を極大値とする。

【0077】

〈手順６〉
第１の周波数ｆlwから共振周波数ｆ0までの範囲におけるＩavg(ｆ)のうちの最小の値を下限側極小値とし、また、共振周波数ｆ0から第２の周波数ｆupまでの範囲におけるＩavg(ｆ)のうちの最小の値を上限側極小値とする。

【0078】

〈手順７〉
上記の手順３によるピークが検出されない、または、上記の手順３によって検出されるピークが連続しきい値Ｔp以上連続する場合に、送受波部２の超音波振動子に異常が発生していると判定する。

【0079】

連続しきい値Ｔpは、特定の値に限定されるものではなく、第１の周波数ｆlwから第２の周波数ｆupまでの範囲にエコー信号強度の平均値の妥当／適切なピークが存在するか否かを的確に判断し得ることが考慮されるなどしたうえで適当な値に適宜設定される。連続しきい値Ｔpは、具体的には例えば、５～１０程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが考えられる。

【0080】

〈手順８〉
上記の手順４によって谷が検出された場合で、上記の手順５によって検出される極大値に対応するＩavg(ｆ)と、上記の手順４によって検出される谷に対応するＩavg(ｆ)との差を求め（尚、谷が複数検出された場合には各々について求める）、その差が強度しきい値Ｔi以上になる谷が１つでもある場合に、送受波部２の超音波振動子に異常が発生していると判定する。なお、この手順８では、強度しきい値Ｔiとは異なるしきい値が用いられるようにしてもよく、例えば、強度しきい値Ｔiよりも小さいしきい値が用いられるようにしてもよい。

【0081】

〈手順９〉
上記の手順５によって検出される極大値と上記の手順６によって検出される下限側極小値との差が強度しきい値Ｔi以上であるとともに、前記極大値と上記の手順６によって検出される上限側極小値との差が強度しきい値Ｔi以上である場合に、送受波部２の超音波振動子は正常であると判定する。一方で、前記極大値と前記下限側極小値との差が強度しきい値Ｔi未満であったり、前記極大値と前記上限側極小値との差が強度しきい値Ｔi未満であったりする場合に、送受波部２の超音波振動子に異常が発生していると判定する。

【0082】

そして、判定タスク５４は送受波部２の超音波振動子の健全性の判定結果を表示部７に対して出力し、表示部７は前記判定結果を表示する。

【0083】

判定タスク５４は、判定方法１に従って送受波部２の超音波振動子の健全性を判定する場合には、上記判定結果とともに、エコー信号強度の平均値の最大値Ｉmax，第１の周波数ｆlwにおけるエコー信号強度の平均値Ｉflw，および第２の周波数ｆupにおけるエコー信号強度の平均値Ｉfup、ならびに、「Ｉmax－Ｉflw」の値および「Ｉmax－Ｉfup」の値をそれぞれ出力して表示部７に表示させるようにしてもよい。

【0084】

判定タスク５４は、また、判定方法２に従って送受波部２の超音波振動子の健全性を判定する場合には、上記判定結果とともに、極大値，下限側極小値，および上限側極小値、
ならびに、極大値と下限側極小値との差の値および極大値と上限側極小値との差の値をそれぞれ出力して表示部７に表示させるようにしてもよい。

【0085】

判定タスク５４は、さらに、計算タスク５３から出力される周波数とエコー信号強度の平均値との組み合わせデータのプロット図の表示データを出力して表示部７に前記プロット図を表示させるようにしてもよい。

【0086】

なお、振動子の検査装置１による振動子の検査の処理は、振動子の検査装置１が直接操作されて手動で実施されるようにしてもよく、また、定期的な実施条件が設定されたうえで自動で実施されるようにしてもよい。さらには、振動子の検査装置１が、各種の無線／有線の通信回線網を介して伝送される信号・情報の送受信／入出力を行う機能を備える通信部（図示していない）を有して、前記通信部を介して制御指令やデータなどの送受信／入出力を行えるように構成されて、振動子の検査装置１が遠隔操作されて実施されるようにしてもよい。

【0087】

また、計算タスク５３から出力される周波数とエコー信号強度の平均値との組み合わせデータが出力部８へと出力されて出力部８においてファイル化されたうえで上記通信部を介して送信されて、前記組み合わせデータが船外に居る技術者によって検証されて超音波振動子の健全性が遠隔で判定されるようにしてもよい。

【0088】

実施の形態に係る振動子の検査装置１や振動子の検査方法によれば、測深機等自身が振動子の検査に纏わる各種処理を実行して超音波振動子の健全性を判定するようにしているので、測深機等を搭載している対象船への技師・技術者の訪船は不要であり、振動子の性能確認にかかる手間，時間，および費用を低減・短縮することが可能となり、延いては測深機等の振動子の検査を容易に実施することが可能となる。また、測深機等自身が超音波振動子の健全性を判定するので、超音波振動子の健全性を即時的に確認することが可能となり、延いては振動子の検査手法としての有用性の向上を図ることが可能となる。

【0089】

実施の形態に係る振動子の検査装置１によれば、また、送受信周波数をスイープさせる周波数範囲が超音波振動子の共振周波数ｆ0およびＱ値に基づいて決定されるようにしているので、エコー信号強度の平均値のピークの探索／検出範囲を適切に設定することが可能となり、延いては振動子の検査手法としての信頼性の向上を図ることが可能となる。

【0090】

実施の形態に係る振動子の検査装置１によれば、また、エコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxと第１の周波数ｆlwにおけるエコー信号強度の平均値Ｉflwと強度しきい値Ｔiとの間、および、エコー信号強度の平均値の最大値Ｉmaxと第２の周波数ｆupにおけるエコー信号強度の平均値Ｉfupと強度しきい値Ｔiとの間に上記の条件１が成立するか否かによって超音波振動子の健全性を判定するようにしているので、超音波振動子の健全性を適切に判定することが可能となり、延いては振動子の検査手法としての信頼性の向上を図ることが可能となる。

【0091】

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。

【0092】

例えば、上記の実施の形態では船舶に搭載される測深機等を想定して説明しているが、この発明が適用され得る対象は船舶に搭載される測深機等に限定されるものではなく、自己の送信パルスの回り込みを受波し得る種々の振動子に対してこの発明は適用され得る。

【符号の説明】

【0093】

１ 振動子の検査装置
２ 送受波部
３ 送受信部
３１ 切替回路
３２ 送信回路
３３ 受信回路
３４ 検波回路
３５ Ａ／Ｄ変換器
４ 処理部
４１ サンプリング回路
５ 検査演算部
５１ 周波数制御タスク
５２ サンプリングタスク
５３ 計算タスク
５４ 判定タスク
６ 記憶部
７ 表示部
８ 出力部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】