JP2002502030A

JP2002502030A - 構造物の欠陥又は構造物上の氷の音響的検出及び位置決めのための方法及び装置

Info

Publication number: JP2002502030A
Application number: JP2000529597A
Authority: JP
Inventors: ドンスコイ，ディミトリ，エム; スティン，アレキサンダー，エム
Original assignee: ザトラスティーズオブザスティーブンスインスティテュートオブテクノロジー
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2002-01-22
Also published as: WO1999039194A1; AU2572299A; CA2319478A1; EP1060390A1; US6301967B1

Abstract

(57)【要約】【課題】完全性を損なう接触型の欠陥及び構造物上の氷の存在を判定する、物質及び機械的構造物の非破壊検査及び評価のための方法及び装置の提供。【解決手段】被検構造物（８）に適用される超音波探査信号（30）及び低周波振動（20）が用いられる。欠陥や氷を有しない構造物においては、これらの信号は相互作用なしに別々に伝播する。構造物が欠陥又は構造物上の氷を含む場合には、振動は欠陥の接触領域又は氷／構造物界面を変化させ、構造物（８）を通過する高周波超音波探査信号の位相及び振幅を変調する。周波数領域において、この変調の結果は、探査波の周波数に関して側波帯のスペクトル成分として表れる。これは欠陥により発生した新たな信号と考えられ、こうした信号が観測された場合には欠陥をより簡単に検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、構造物の欠陥及び／又は構造物上の氷を音響的に検出し位置決めす
るための方法及び装置に関し、より詳しくは、超音波探査信号及び低周波振動信
号を用いて、氷、又は亀裂、破損、層剥離、接着剥離といった完全性を損なう欠
陥を識別し、位置決めするための、材料や機械的構造物の非破壊音響検査及び評
価に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

氷の検出や非破壊検査（ＮＤＴ）のための、現在一般に行われている音響的な
方法は、線形音響学の原理に基づいている。これには、探査音響エネルギーの反
射、散乱、伝達、及び吸収の影響が含まれる。氷や欠陥が存在すると、受信信号
の位相及び／又は振幅に変動が生じるが、受信信号の周波数は送信された探査信
号の周波数と同じである。

【０００３】本発明の変調技術と、線形ＮＤＴ技術との間の基本的な相違は、変調技術では
欠陥や氷のような物質の存在及び特性を、送信された探査信号の周波数と異なる
周波数の音響信号と相関させるということにある。周波数の異なるこれらの信号
は、探査音響エネルギーが欠陥によって変調変換されたことの結果である。

【０００４】変調ＮＤＴ法は、線形音響法と比べると数多くの利点を有する。その中には、
感度の高さや、非常に不均質及び／又は幾何学的に複雑な構造物、例えば複合品
やエンジン部品などに対する応用可能性といったものがある。

【０００５】ＮＤＴ技術における従来の成果には次のものがある。

【０００６】 Percherskyの米国特許第5,520,052号は、レーザ振動法と減衰分析技術を組み合わせて物質の減衰損失率を求めることにより、物質の構造的完全性を判定する
ための方法及び装置を開示している。この方法は、検査する領域を既知の周波数
範囲にわたって振動させるステップと、この既知の周波数範囲にわたって振動の
力と速度を測定するステップとからなる。公知の振動分析を用いると、振動の力
と速度の測定値から、予め選択した周波数範囲にわたり、物質の駆動点の移動性
のプロットが得られる。減衰率が計算されたなら、それは基準のスタンピング損
失率と比較されて、その物質の構造的完全性が評価される。

【０００７】 Larsenの米国特許第5,170,666号は、吸収されたマイクロ波／高周波エネルギーにより誘発される音響放出を用いて、複合物質を非破壊評価することを開示し
ている。被検物は無線周波数エネルギーのパルスに曝露され、被検物の表面上を
伝播する弾性波を生成する。この弾性波は、圧電又は光電変換モードのトランス
デューサによって検出され、弾性波に対応する信号が生成される。この信号はプ
ロセッサによって分析され、分類される。

【０００８】 Tsuboiの米国特許第5,214,960号は、物体を複数の個所で振動させることにより、その物体中の欠陥を検出するための方法及び装置を開示している。被検物体
が振動している間に、被検物体の振動を示す信号が検出され、被検物体の固有振
動を示す信号が生成され、また欠陥に起因する被検物体の振動を示す信号が生成
される。固有振動を示す信号と、欠陥に起因する振動を示す信号は比較され、そ
の被検物体に欠陥があるか否かが判定される。

【０００９】 Wajidらの米国特許第5,528,924号は、ガス状物質、具体的には冷媒ガスを分析
して、試料が相当量の汚染物質を含有するか否かを判定するための、音響的ツー
ルを開示している。冷媒は、気化した試料を共振チャンバ内に導入することによ
って検査される。このチャンバは二つの異なる共振を生成するように形成されて
おり、共振器は第一の容積と第二の容積を接続する第一及び第二のネックを有し
ている。周波数発生器が、二つの共振を含むある帯域で周波数の掃引を生成し、
この掃引が二つの容積の一方において、トランスデューサに印加される。振動応
答性の第二のトランスデューサが、チャンバ内の振動の振幅に応じて変化する出
力信号を生成する。周波数発生器と第二のトランスデューサの出力に応答するデ
ジタル回路が、第一及び第二の共振について中心周波数を求めてこれらの共振の
周波数幅を判定し、これら二つの共振に関して品質及び鋭さの因子を決定する。
次いで、中心周波数と鋭さの因子が記憶されているデータと比較され、汚染物質
の性質と程度についての判断が行われる。

【００１０】 Rhodesらの米国特許第5,425,272号は、共振周波数の相対的なシフトを用いて亀裂を検出することを開示している。物体の少なくとも二つの主要な共振周波数
が検知され、周波数差が測定される。これらの主要な共振周波数の一方に対する
周波数差の比率が判定され、所定の規準と比較される。大きさに依存する共振周
波数は殆どシフトしないが、剛性に依存する共振周波数は、物体が亀裂を有する
場合には比較的大きな量でシフトする。

【００１１】 Dixonらの米国特許第5,355,731号は、球形物体の生産数量を格付けするための
方法を開示している。球形物体から、超音波共振分光（ＲＵＳ）スペクトルが発
生される。球形物体の球状パラメータ値は、ＲＵＳスペクトルの最初の成分から
判定される。球形物体の非球面値が、ＲＵＳスペクトルの第二の成分と球状パラ
メータから求められる。この非球面値は所定の値と比較されて、球形製品の格付
けが行われる。

【００１２】 Jonesの米国特許第5,284,058号は、高分子物質の複合的な剪断弾性係数又はヤ
ング率を測定するための方法を開示している。そこでは所定の長さと異なる厚み
を有する第一と第二のビーム部材が、端部をしっかりと固定して間隔を置いた平
行な関係で配置され、第一と第二の間隔を置いたグリップ部材がビーム材に沿っ
て取着される。高分子物質の被検物が、グリップ部材の向かい合った表面の間に
配置され、時間と共に変化する力が一方のビーム部材に加えられる。時間と共に
変化するビーム部材の変位が測定され、この測定値から高分子物質の弾性係数が
計算される。

【００１３】 Tsuboiの米国特許第5,179,860号は、欠陥検出方法を開示している。これは、物体を振動させるステップと、振動をピックアップするステップと、測定すべき
物体の固有振動のスペクトルが二つの部分に分かれることを検出するステップを
含む。この方法はまた、物体を振動させ、振動を検出し、測定すべき物体の固有
振動の奇数次のスペクトルが二つの部分に分かれることを検出することにより、
亀裂を検出するためにも使用できる。測定すべき物体の固有振動の偶数次のスペ
クトルが二つの部分に分かれることを検出することにより、非貫通欠陥も同様に
して検出可能である。

【００１４】 Tsuboiの米国特許第5,144,838号は、物体を振動させるステップと、振動をピックアップするステップと、測定すべき物体の固有振動のスペクトルが二つの部
分に分かれることを検出するステップを含む、欠陥検出方法を開示している。こ
の方法もまた、物体を振動させ、振動を検出し、測定すべき物体の固有振動の奇
数次のスペクトルが二つの部分に分かれることを検出することにより、亀裂を検
出するために使用できる。測定すべき物体の固有振動の偶数次のスペクトルが二
つの部分に分かれることを検出することにより、非貫通欠陥も同様にして検出可
能である。

【００１５】 Clark, Jr.らの米国特許第4,944,185号は、物質を標識し、この物質を適用し、標識された粒子を励起して標識された物質中に固有の構造的共振を生じさせ、
この物質の構造的共振をプローブを用いて監視及び測定し、この構造的共振をそ
の物質の構造的完全性に関連付けることにより、物質の完全性を非破壊的に検分
するための方法を開示している。この発明は、接着剤のような物質に対して具体
的な用途を有している。

【００１６】 Slettemoenの米国特許第4,689,993号は、振動を測定しマッピングするための方法及び装置を開示している。そこでは、一つ又はより多くの局所センサと測定
手段とが、発振している物体の振動に対して、局所的な位置決めと分解を行う。
また同じセンサと測定手段をイメージ形成ユニット及び関連する測定手段と共に
用いて、発振物体の振動の局所的なイメージ形成記録を行うことができる。

【００１７】 Chamuelの米国特許第4,461,178号は、氷の検出方法を開示しているが、そこで
は撓み波と圧縮波が構造物を介して伝播される。氷は撓み波の伝播速度に影響を
及ぼすが、これは他のもの、即ち温度その他についても同様である。これらの他
の要因は、遭遇する特定の状況に応じて構造物のための基線をもたらす、圧縮波
の使用によって考慮される。

【００１８】 Yostの米国特許第5,736,642号は、物質の欠陥検出のための非線形超音波走査方法を開示しており、そこでは第一と第二の周波数が伝播され、組み合わせ周波
数、即ちこれらの波の合計又は差分（f1±f2）が得られる。

【００１９】加えて、氷の検出方法の創出について、従来からの成果が存在する。

【００２０】氷の検出のための在来の方法は、種々のタイプのエネルギーを使用している。
交差偏波した可干渉光（米国特許第5,650,610号）、レーザビーム（米国特許第5
,823,474号）、光ファイバセンサ（米国特許第35,748,091号）、導電性センサ（
米国特許第5,621,400号）、圧電フィルムセンサ（米国特許第5,206,806号）、及
び超音波センサ（米国特許第4,461,178号及び第5,456,114号）などがある。超音
波検出装置は、線形音響学の原理に基づいている。これには、探査音響エネルギ
ーの反射、散乱、伝達、吸収の影響が含まれる。氷の被覆が存在すると、受信信
号の位相及び／又は振幅に変化が生ずるが、受信信号の周波数は送信された探査
信号のそれと同じである。

【００２１】これらの従来の成果の何れのものも、単独で又は組み合わせとして取り上げて
みても、本発明の要素の全て、或いはその利点及び有用性の全てを教示又は示唆
するものではない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の基本的な課題は、構造物の欠陥及び／又は構造物上の氷の非破壊検査
及び評価のための方法及び装置を提供することである。

【００２３】本発明の別の課題は、構造物の欠陥又は構造物上の氷を、構造物の変調応答に
基づいて検出し位置決めするための方法を提供することである。

【００２４】本発明の追加的な課題は、低周波振動による高周波超音波信号の変調を観測す
ることにより、構造物の欠陥又は構造物上の氷を検出し位置決めするための方法
及び装置を提供することである。

【００２５】本発明の別の課題は、構造物の欠陥又は構造物上の氷を検出し位置決めするた
めの方法及び装置であって、高い感度を有し、複合品やエンジン部品などを含む
非常に不均質な構造物に応用可能なものを提供することである。

【００２６】本発明のさらに別の課題は、低周波数振動の適用個所と受信器の間の相対位置
を変化させることにより、構造物の欠陥又は構造物上の氷を位置決めするための
方法及び装置を提供することである。

【００２７】本発明のさらに別の課題は、構造物の欠陥又は構造物上の氷を検出し位置決め
するための方法及び装置であって、低周波信号が局所的な励起の増大した領域を
提供し、この局所領域が欠陥付近に位置する場合に受信信号の側波帯を増大させ
るものを提供することである。

【００２８】本発明のさらに別の課題は、低周波数振動によって変調された高周波信号の短
いバーストのシーケンスを伝達及び選択することにより、構造物の欠陥の位置を
突き止めるための方法及び装置を提供することである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】

本発明の変調式音響検査方法及び装置は、高周波探査信号と、低周波振動信号
を用いる。これらの信号は構造物に対して、その構造物の完全性を検査するため
に適用される。欠陥がある場合には、低周波信号が高周波探査信号の変調を生じ
させる。この変調は、受信した高周波信号のスペクトル中に、側波帯成分として
表れる。このことは、構造物の欠陥、又は構造物上の氷を示す。

【００３０】変調方法には次の三つのモードがある。振動器で調和振動が加えられる振動変
調（ＶＭ）法、機械式ハンマーで衝撃振動が加えられる衝撃変調（ＩＭ）法、又
は環境（乱流、交通その他）及び／又は動作条件（エンジン、ポンプ、モータ、
水流その他）に起因して構造物中に存在する振動での変調を用いる自己変調（Ｓ
Ｍ）法である。

【００３１】高周波信号の周波数が所定の周波数範囲にわたって掃引され、側波帯の振幅が
測定され、平均され、正規化されるならば、欠陥はまた、定量的に分析すること
もできる。得られる数値は、欠陥の大きさを示すことになる。

【００３２】また、欠陥の位置を求めることも可能である。これは位置決めと呼ばれる。本
発明は、二つの位置決め動作モードを含んでいる。

【００３３】第一の位置決めモードでは、低周波信号が探査信号に対して移動され、探査信
号は低周波信号の直後にトリガされる。低周波信号は局部的な歪み領域を生成す
る。低周波信号が欠陥の近くまで動かされるにつれて、受信信号の側波帯の振幅
は増大する。

【００３４】第二の位置決めモードでは、短いバーストの高周波信号のシーケンスが放射さ
れ、また信号処理アルゴリズムが用いられて、被検構造物の種々の領域から反射
されてくるシーケンスが選択される。選択されたシーケンスに変調が存在するこ
とは、それぞれの領域に欠陥が存在することを示すことになる。

【００３５】本発明はまた、航空機の翼や舗装道路などのような、固体表面上における氷の
非破壊検出にも関連している。本発明のこの目的に関しては、氷と構造物の間の
界面を欠陥とみなすことができる。このようにして使用される場合、超音波探査
信号と低周波振動信号は、氷の検出のために構造物に適用される。低周波振動信
号は、ＶＭ又はＩＭによって構造物に発生させることができ、或いは構造物が関
与する動作によって、この構造物中に既に存在していることができる（ＳＭ）。

【００３６】付加的に、接着された複合的構造物を本発明によって検査して、接着剥離に関
連した欠陥を検出し、また適所にある接着の品質を評価することができることを
指摘しておかねばならない。

【００３７】

【発明の実施の形態】

本発明の他の重要な課題及び特徴は、添付図面との関連で以下の発明の詳細な
説明を参酌することにより明らかとなろう。

【００３８】本発明は、構造物における欠陥を検出し位置決めするための方法及び装置に関
する。本発明は高周波探査信号の、低周波振動信号による変調を用いる。本発明
は三つの変調モード、即ち振動変調法、衝撃変調法、及び自己変調法を含んでい
る。高周波信号を所定の周波数範囲にわたって掃引し、側波帯の振幅を測定、平
均化、及び正規化して検分することにより、欠陥を定量的に分析することもでき
る。本発明はまた、欠陥の位置決めにも関するものであり、二つの位置決めモー
ドを含んでいる。即ち低周波信号が探査信号と相対的に、構造物に関して移動さ
れる第一の位置決めモードと、短いバーストの高周波信号のシーケンスが放射さ
れ、被検構造物の種々の領域から反射されてきたシーケンスを選択して欠陥の位
置を示すために信号処理アルゴリズムが使用される、第二の位置決めモードであ
る。

【００３９】簡単な背景情報として、接触型の欠陥には亀裂、接着剥離、層剥離などがある
。構造物上の氷の存在は、本発明の目的に関して、欠陥と考えることができる。
欠陥に関連した変調の物理的な性質は図１Ａ及び図１Ｂに示されている。そこで
は欠陥は、二つの平坦な固体表面の間の接触として模式化されている。動的（音
響的）応力がこの欠陥に加えられると、応力の延伸段階の間は接触は全くなく（
完全な開口）、圧縮段階の間は完全な接触（閉鎖）が生ずる。こうした欠陥を含
んでいる媒体の弾性変形は、延伸と圧縮について異なるものであり、図１Ｃに示
すような区分的線形（非線形）の応力−歪み関係が導かれる。

【００４０】欠陥のより実際的なモデルは、図２Ａ及び図２Ｂに示すような、二つの粗い弾
性表面の間での接触である。加えられる応力は欠陥内部の接触領域を変化させ、
非線形な弾性変形が導かれる。

【００４１】このような接触型の欠陥を含んでいる媒体の応力−歪み依存性はやはり非線形
であり、歪みに関してテイラー展開の形で書くことができる。簡単のために、こ
の関係を一次の長手方向変形について書けば次のようになる。 σ＝Ε（ε＋βε²＋γε³＋...）式中、σは応力、εは歪み、Εは弾性係数、β、γなどは媒体の非線形性を特徴
付ける非線形パラメータである。音響的ＮＤＴに用いられる小さな歪みに関して
は、この展開式における三次及びより高次の項は無視することができ、この式（
１）はεについて一次及び二次の項を有するだけになる。これはいわゆる二次非
線形の場合である。非線形パラメータβの典型的な値は、欠陥のない均質な媒体
について通常は10を越えることはなく、従って非線形二次項が関係（１）に寄与
するところは非常に小さく（小さな歪みについて）、媒体は疑似線形的な挙動を
示す。欠陥は、パラメータβを大きさで二次又は三次まで増大させうる。非線形
項の値は依然として、線形項に比べて小さいが（βε＜＜１）、その寄与、従っ
て音響的表れは遙かにより明らかである。

【００４２】接触型の非線形性の、非線形な音響的な表れには種々のものがある。その一つ
は探査超音波の低周波振動による変調である。この場合、振動は接触領域を変化
させ（又は欠陥開口を変化させる）、高周波探査波の位相及び振幅を変調する。

【００４３】動的低周波応力（振動）が亀裂に印加された場合、図１に示されているように
、亀裂は延伸段階で開口され、圧縮段階で閉鎖される。探査高周波が通過してい
るとすれば、その強度は図５に示すように、低周波応力の延伸段階（亀裂は開口
する）において弱まり、低周波振動による探査信号の振幅変調がもたらされる。
こうした変調はスペクトル領域においては、搬送波である超音波信号周波数のピ
ークに関して、側波帯成分として表れる。明らかに、変調レベルは亀裂の大きさ
に比例する。なぜなら亀裂が大きければ、変調の影響もより著しくなるからであ
る。

【００４４】この変調の影響は、種々のタイプの欠陥について観測することができる。図３
Ａ及び図３Ｂは、欠陥のあるスチールパイプと欠陥のないスチールパイプにおい
て観測された、衝撃振動により変調された探査信号のスペクトルを示している。
この変調方法は高い感度と幾何学的な無差別性を有し、管、溶接管、弁、航空機
の翼その他の非破壊検査に用いることができ、また作動機器類（ポンプ、スチー
ム、発電機、タービンなど）、水圧又はガス圧の変動などの固有振動を有する構
造物や設備に用いることができる。

【００４５】図４を参照すると、全体を10で示された、本発明の装置の一つの実施例が示さ
れている。この装置は、検査される構造物８に低周波振動システムを生成するた
めの、衝撃ハンマー20又は他の手段を含んでいる。低周波振動信号を生成するた
めの代替手段を、この技術分野で公知のようにして用いることができる。

【００４６】追加的に、高周波探査信号が被検構造物10に対して、超音波送信器30又はこの
技術分野で公知の他の手段によって印加される。この探査信号は、ゲート装置34
に対して信号を送出するパルス発生器32によって生成される。信号発生器36もま
たゲート装置に対して信号を送り、ゲート装置はこれらの信号をゲートして、そ
の出力を電力増幅器38に送る。電力増幅器はこの信号を超音波送信器30に伝達す
る。もちろんこの装置の構成は、この技術分野で公知のところに従って変更する
ことができる。

【００４７】ハンマー20はシステムの同期のための信号を発生するセンサを含み、このシス
テムにはコンピュータ手段40とパルス発生器32が含まれる。受信器50が被検構造
物上に配置可能であって、変調信号を受信するようになっている。受信器50のア
レイを用いることもできる。受信器50は変調信号をピックアップし、分析のため
にコンピュータ手段40へと送信する。

【００４８】欠陥の存在に基づいて、低周波振動は高周波探査信号を変調する。この変調は
、受信信号のスペクトルにおける側波帯成分として表れる。こうした方法を応用
した最近の例には、航空用に用いられるチタンプレートの接着剥離の検出、ボー
イング767のスチールヒューズピンの亀裂の検出、内燃機関のシリンダヘッドの亀裂の検出、原子力発電所におけるスチールパイプの溶着部における亀裂の検出
、接着された複合構造物における接着不良の検出、強化コンクリートにおける亀
裂や腐食の検出、及び岩盤の亀裂の検出などがある。亀裂、接着剥離、層剥離と
いった接触型の欠陥の存在と、測定された側波帯スペクトル成分の間には、強い
相関関係がある。幾つかの実験においては、側波帯成分のレベルは（欠陥の存在
下に）基準信号（欠陥なし）を30dB以上も超越した。こうした実験は、在来の音
響法を適用できない、非常に不均質な構造物における欠陥を検出できるという、
この変調方法の能力を実証するものである。そのような構造物の中には、複合材
料、機体及びエンジン部品、都市建造物などがある。

【００４９】本発明は、欠陥の位置を判定するために、別のモードで使用することができる
。第一の位置決めモードでは、低周波信号が探査信号に対して移動され、探査信
号は低周波信号の直後にトリガされる。低周波信号は局部的な歪み領域を生成す
る。低周波信号が欠陥の近くまで動かされるにつれて、受信信号の側波帯の振幅
は増大する。

【００５０】第二の位置決めモードでは、短いバーストの高周波信号のシーケンスが放射さ
れ、また信号処理アルゴリズムが用いられて、被検構造物の種々の領域から反射
されてくるシーケンスが選択される。選択されたシーケンスに変調が存在すると
、それぞれの領域に欠陥が存在することを示すことになる。

【００５１】より具体的には、第一の位置決めモードは、探査信号と、低周波信号と、受信
器の間の相対的な距離を、被検構造物の周囲で低周波信号を動かすことなどによ
って変化させ、信号を分析することを包含している。衝撃ハンマーによる衝撃が
加えられると、衝撃領域の周囲に局所的な励起の増大した領域が形成され、これ
はその後に波形となる。検査モードにおいて高周波探査信号を変調するのに用い
られるのは、この波形である。しかしながら局部モードにおいては、局部的な衝
撃歪みが用いられる。コンピュータは、衝撃ハンマーの局部的応力により生じた
振動を排除するために、衝撃により遅延された探査信号を捕捉する。衝撃ハンマ
ーによる短命な局部的振動に対応するように、この探査信号は衝撃の直後に捕捉
される。この局部振動を用いることにより、衝撃ハンマーが欠陥の近くに配置さ
れたときに、受信信号の側波帯の振幅を増大させることができる。衝撃により生
成された振動場は、二つの部分によって表すことができる。すなわち近接場応力
（衝撃の近傍に局在化される）と、伝播波応力である。一般に、近接場応力は伝
播波応力よりも遙かに大きい。伝播波の場は、構造物全体をカバーしうる。この
ことは、欠陥の存在下において、超音波探査信号の変調を導く。この変調は、欠
陥の表示として作用する。これにより、衝撃が欠陥に近くなれば、それに加えら
れる近接場応力も大きくなり、より高い変調レベルが導かれることになる。従っ
て、種々の個所で衝撃を加え、衝撃個所と変調レベルを相関させることにより、
欠陥の位置決めが可能になる。

【００５２】第二の位置決めモードでは、欠陥の位置決めは、適用される超音波及び振動入
力のパラメータを変化させることによって達成される。周波数がより高い超音波
は、被検物体のより小さな部分に投射され、これに応じて被検査領域を小さくす
ることができる。加えて、欠陥の位置は、適用される衝撃の位置を変化させるこ
とによって判定することができる。周期的な超音波信号のバーストを用いた、新
たなアルゴリズムが開発されている。超音波信号のバーストのシーケンスが送信
される。各々のバーストは搬送周波数fcを有している。バーストとバーストの間
の期間は、繰り返し周波数Frによって定まる。

【００５３】このアルゴリズムは、関心事となる領域の内部を伝播しその領域から反射され
るバーストのみを選択し、処理する。各々のバーストの長さは、構造物の他の部
分から反射されてくる信号から分離するのに十分な程度に短い。繰り返し周波数
Frは、次の条件を満たすように選ばれる。すなわちFr＞2Fvであり、そこでFvは変調振動の周波数である。これはナイキスト周波数条件に等しい。というのは、
選択されたパルスは図６Ａ及び図６Ｂに示すように、変調エンベロープを「サン
プリング」するように用いられるからである。

【００５４】このアルゴリズムを、図７に示すように溶接されたフランジを有するスチール
パイプ60を用いて試験した。一方のフランジには欠陥（亀裂）がある。他方のフ
ランジは欠陥を有しない。パイプ60にはその一方の端に、超音波送信器62が取着
されている。また超音波受信器64と加速度計66がパイプに結合されている。振動
器68もまたパイプに結合されている。この振動器68は、信号発生器70と電力増幅
器72によって駆動されている。超音波送信器62は、信号発生器71と電力増幅器73
によって駆動されている。本発明の方法を実行するに当たり、超音波送信器62が
高周波信号を発生し、振動器68が低周波信号を提供する。受信器64は、高域フィ
ルタ76を介してデータ獲得システム74に結合されている。加速度計66は、低域フ
ィルタ78を介してデータ獲得システム74に結合されている。

【００５５】図８Ａは、試料から受信した、１MHzに近い搬送周波数についての一連の50マイクロ秒のバーストを示している。繰り返し周波数は1600Hzである。加えられた
振動の周波数は494Hzである。図８Ａに示すように、受信波形は両方のフランジから反射された信号を有している。図８Ｂ及び図８Ｃは、欠陥のあるフランジ及
び欠陥のないフランジから反射された、選択されたバーストを示している。図９
Ａは、波形全体のスペクトルを示している。図９Ｂ及び図９Ｃは、欠陥を含むフ
ランジから反射されたバーストの選択されたシーケンスに対応するスペクトルを
示している。これらのスペクトルは、欠陥を含むフランジから反射されたバース
トのシーケンスにおける、変調の存在を示している（図９Ｃ）。欠陥のないフラ
ンジから反射されたバーストのシーケンスについては、変調は示されていない。

【００５６】本発明の方法はまた、欠陥を定量的に分析することを可能にする。高周波信号
の周波数が所定の周波数範囲にわたって掃引され、側波帯の振幅が測定され、平
均化され、以下の式に従って正規化される。すなわちＭ＝Ａｍ／ＡｐＡｖであり
、ここでＡｍは側波帯信号の振幅、Ａｐは高周波信号の振幅、そしてＡｖは低周
波信号の振幅である。得られる数値Ｍは、欠陥の大きさを示す。選択される周波
数範囲におけるステップ数は、典型的には10−20である。測定が行われる周波数
範囲は、典型的には10−30kHzである。

【００５７】本発明はまた、航空機の翼、舗装道路その他の如き固体表面上にある、氷を非
破壊検出することにも関連している。本発明のこの目的に関しては、氷と構造物
の間の界面を欠陥とみなすことができる。このようにして使用される場合、超音
波探査信号と低周波振動信号は、氷の検出のために構造物に適用される。低周波
振動信号は、構造物に発生させることができ、或いはこの構造物が関与する動作
によって、この構造物中に既に存在していることができる。これらの動作は、エ
ンジンからの振動や、乱流による低周波信号を含むことができる。これらの振動
はまた、交通や風などにより、環境に起因して構造物中に存在するものでもよい
。

【００５８】氷の被覆を有していない構造物においては、超音波探査信号と低周波振動信号
は、何の相互作用も行わずに別々に伝播する。しかし構造物が氷で覆われている
場合には、超音波探査信号と低周波振動の間にはかなりの相互作用がある。超音
波探査信号は、低周波振動信号によって変調される。周波数領域においては、こ
の変調は超音波探査信号に関して側波帯のスペクトル成分として表れる。これら
の側波帯のスペクトル成分は、氷の存在と関連した新たな信号と考えられ、従っ
てこうした信号が観測された場合には、氷をより簡単に検出することができる。

【００５９】この方法を用いて、氷を航空機、舗装道路、橋梁その他において検出すること
ができる。超音波信号と振動信号は、関心対象となる領域において、被検査構造
物に対して印加され、またそこから受信される。この方法は、氷の存在又は不存
在を検出するように動作させうる。この方法はまた、局限された仕方で動作させ
、バースト信号と上述した信号処理アルゴリズムを用いて、氷結した領域を突き
止めることができる。

【００６０】本発明の変調方法は、従来技術で用いられている音響的技術に対して、数多く
の利点を有している。従来技術の線形技法においては、氷の存在を示す線形音響
パラメータの変動は、温度変化や構造的負荷といった、他の要因にも依存しうる
ものである。これらの他の要因は、測定されるパラメータに対し、氷の存在と同
様の、或いはより大きな影響を及ぼす。本発明の変調方法はこれらの要因によっ
て左右されるものではない。なぜならそれらが探査信号の変調を生ずることはな
いからである。

【００６１】本発明のこの側面の方法は、図10に示すように航空機の翼に実施することがで
きる。航空機の翼80は、機体81に接続されている。翼80には、超音波送信器82と
超音波受信器84が埋設されている。航空機のエンジン86のような低周波振動源も
また、翼80に取着されている。デジタル信号処理システム88が信号発生器90に接
続されており、信号発生器は次いで電力増幅器92に接続されて、送信信号を発生
するようになっている。処理システム88はまた、信号調整装置94を介して、受信
器84にも接続されている。

【００６２】図11Ａ及び図11Ｂは、冷凍庫の中に入れられたアルミニウムプレートから受信
した信号のスペクトルを示している。二つの同一の圧電セラミックディスク（超
音波送信器と受信器）が、このプレートに接着されている。振動信号はハンマー
によって発生させた。プレートに水を吹き付ける前と後のそれぞれについて、変
調をモニターした。氷の領域が小さい（10％）場合でさえも、変調には劇的な増
大が生じた。氷の付いていないプレートから受信した信号のスペクトルを図11Ａ
に示す。面積の10％が氷で覆われたプレートから受信した信号のスペクトルを図
11Ｂに示す。氷の存在は、受信信号の側波帯成分の振幅を20dBまで増大させる。

【００６３】かくして本発明を詳細に説明したが、以上の記述は本発明の思想及び範囲を限
定することを意図したものではないことが理解されねばならない。特許権による
保護を望むところについては、特許請求の範囲に記載されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、図１Ｃのグラフに従って応力−歪みが変化するにつれて
の、接触型及び非接触型の欠陥を示している。

【図２】図２Ａは粗い表面欠陥を示し、図２Ｂのグラフはその応力−歪みの関係を示す
。

【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、欠陥のあるスチールパイプと欠陥のないスチールパイプ
において、衝撃振動により変調された探査信号のスペクトルのグラフである。

【図４】本発明による音響式欠陥検出方法及び装置の構成部品のブロック図である。

【図５】図５Ａ及び図５Ｂは、低周波振動による高周波信号の変調のグラフである。振
動の希薄相は亀裂を開き、通過する高周波信号の強度を低減させる。

【図６】図６Ａは選択された一連の変調された超音波バーストのサンプルを示し、図６
Ｂは図６Ａのサンプルのスペクトルを示す。

【図７】スチールパイプの欠陥を検出するための装置のブロック図である。

【図８】図８Ａから図８Ｃは、図７の装置で送受信した信号を示している。

【図９】図９Ａから図９Ｃは、図８Ａから図８Ｃのそれぞれの信号のスペクトルを示し
ている。

【図10】航空機の翼上にある氷を検出するための装置のブロック図である。

【図11】図11Ａ及び図11Ｂは、氷の付いたアルミニウムプレートと氷の付いていないア
ルミニウムプレートからの信号のスペクトルの図である。

【符号の説明】

８被検構造物 10 本発明装置 20 衝撃ハンマー 30 超音波送信器 40 コンピュータ手段 50 受信器

【手続補正書】

【提出日】平成１２年８月４日（２０００．８．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，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，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，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，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者スティン，アレキサンダー，エムアメリカ合衆国ニュージャージー州07030，ホーボーケン，１エイ，ハドソン・ストリート・730 Ｆターム(参考） 2G047 AA10 BA01 BA03 BA04 BC02 BC03 BC07 CA03 GF04 GF08 GG37

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低周波信号を生成し、被検構造物に対して伝達するための手段
、高周波探査信号を生成し、被検構造物に対して伝達するための手段、被検構造物から変調信号を受信するための受信手段、及び前記受信手段により受信された変調信号を分析するための手段からなる、構造
物における欠陥又は氷の存在及び特性を検出するための装置。
【請求項２】さらに、低周波信号を高周波探査信号及び前記受信手段に対し
て移動させるための手段、及び低周波信号の後に探査信号をトリガする手段を含
む、請求項１の装置。
【請求項３】低周波信号を被検構造物に印加するステップ、高周波探査信号を被検構造物に印加するステップ、被検構造物に適用された受信手段を介して変調信号を受信するステップ、及びコンピュータ手段を用いて変調信号を処理するステップからなる、構造物にお
ける欠陥又は氷の存在及び特性を検出するための方法。
【請求項４】低周波信号が被検構造物に印加された直後に探査信号が発生す
るようにトリガを行い、低周波信号を被検構造物に関して移動させることをさら
に含む、請求項３の方法。
【請求項５】超音波探査信号を構造物に伝播させるステップ、低周波振動信号を前記構造物に伝播させるステップ、前記超音波探査信号を検出し、前記超音波探査信号と前記低周波振動信号の間
の相互作用に関して検出された超音波探査信号を分析し、前記相互作用が欠陥又
は物質を示すステップからなる、構造物における欠陥又はある物質の存在及び特
性を検出するための方法。
【請求項６】前記相互作用が前記低周波振動信号による前記超音波探査信号
の変調である、請求項５の方法。
【請求項７】前記変調が前記超音波探査信号の周波数に関して側波帯スペク
トル成分として表れる、請求項６の方法。
【請求項８】前記側波帯スペクトル成分がある物質の存在と関連している、
請求項７の方法。
【請求項９】前記物質が氷である、請求項８の方法。
【請求項10】前記低周波信号が前記構造物中に、当該構造物の動作又は環境
に基づいて存在する、請求項６の方法。
【請求項11】超音波探査信号のシーケンスを構造物に伝播させるステップ、前記超音波探査信号が第一の周波数を有するステップ、前記シーケンスが第二の繰り返し周波数で伝播されるステップ、低周波振動信号を前記構造物に伝播させるステップ、前記伝播された信号を検出し、検出した伝播された信号のうち、前記構造物に
おいて関心対象となる領域を示すシーケンスのみを選択し処理するステップから
なる、構造物における欠陥又はある物質の位置及び特性を判定するための方法。
【請求項12】前記第二の繰り返し周波数が、前記構造物の他の領域から反射
される信号から分離するのに十分な程度に短い、請求項11の方法。
【請求項13】前記第二の繰り返し周波数が前記低周波振動信号の周波数の二
倍より大きい、請求項12の方法。
【請求項14】構造物中へと超音波信号を送信する手段、前記構造物に接続され、前記超音波信号を受信するための手段、前記構造物に接続され、前記構造物に低周波信号を発生するための手段、前記送信する手段及び前記低周波信号を発生するための手段に接続され、前記
低周波信号の周波数の二倍より大きな繰り返し周波数において前記構造物中へと
前記超音波信号を送信するための制御手段からなる、構造物の非破壊検査装置。
【請求項15】前記低周波信号が前記構造物の動作又は環境に基づいて発生さ
れる、請求項14の装置。
【請求項16】構造物に低周波信号を発生するための手段、構造物に高周波信号を発生するための手段、構造物から信号を受信するための手段、この信号が前記低周波信号と前記高周
波信号の変調された組み合わせであること、及び前記受信した信号の側波帯を分析するための手段からなる、構造物における欠
陥又はある物質の位置及び特性を判定するための装置。
【請求項17】前記低周波信号を発生するための手段が振動器を含む、請求項
16の装置。
【請求項18】前記低周波信号を発生するための手段が機械式ハンマーを含む
、請求項16の装置。
【請求項19】前記低周波信号を発生するための手段が環境及び／又は動作条
件に基づいて構造物中に存在する振動を含む、請求項16の装置。
【請求項20】構造物に高周波信号を発生させるための手段、前記高周波信号を発生させるための手段に接続され、前記高周波信号の周波数
を所定の周波数範囲にわたって変化させるための手段、前記構造物に低周波信号を発生させるための手段、前記構造物から周波数変調された信号を受信するための手段、この受信した信
号が前記構造物における欠陥を示すこと、及び前記受信するための手段に接続され、受信した変調信号における側波帯の振幅
を測定し、平均化し、正規化して前記欠陥の大きさの表示を発生する手段からな
る、構造物における欠陥を定量的に分析するための装置。
【請求項21】構造物に低周波信号を発生させるための手段、構造物に高周波信号を発生させるための手段、構造物から信号を受信するための手段、この信号が前記低周波信号と前記高周
波信号の変調された組み合わせであること、前記受信した信号の側波帯を分析するための手段、前記高周波信号を発生させるための手段の位置に対して前記構造物上で前記低
周波信号を発生させるための手段の位置を移動させるための手段、及び前記低周波信号がトリガされた後に前記高周波信号をトリガする制御手段から
なり、前記低周波信号を発生させるための手段の位置が欠陥に向けて移動される
につれて前記側波帯の振幅が増大する、構造物における欠陥を位置決めするため
の装置。
【請求項22】構造物に低周波信号を発生させるための手段、構造物に高周波信号の短いバーストのシーケンスを発生させるための手段、構造物から信号を受信するための手段、この信号が前記低周波信号と前記高周
波信号の変調された組み合わせであること、及び構造物の領域からの前記受信した信号の選択シーケンスを分析するための手段
からなり、選択シーケンスにおける変調の存在がある領域における欠陥の存在を示す、構
造物における欠陥を位置決めするための装置。