加工物の欠陥を検出する装置、システムおよび方法

专利摘要:
本発明は、加工物の欠陥を検出するのに使用する装置、システムおよび方法に関する。当該装置は、タングステン含有支持体(12)に取り付けられた圧電結晶(11)を有するトランスデューサ(10)を有する。トランスデューサ(10)は、受信および送信の両モードで作動するように構成される。トランスデューサ(10)は、いろいろな配列で使用することができ、このとき、任意の特定時点においてそれぞれのトランスデューサの作動モードを決定するためにいろいろなプロトコルを使用することができる。信号解析システムを、欠陥の存在またある場合には欠陥の性質の決定に関して説明する。2
公开号:JP2011505571A
申请号:JP2010536524
申请日:2008-12-04
公开日:2011-02-24
发明作者:アーミテージ，ピーター，ロバート
申请人:ユニバーシティ オブ エクセター；
IPC主号:G01N29-44

专利说明:

[0001] 本発明は、加工物の欠陥の検出、特に、排他的ではないが、航空機部品の欠陥の検出に使用する装置、システムおよび方法に関する。]
背景技術

[0002] 現代の設計、特に輸送産業における設計は、ますます軽い材料を必要とする傾向にあるが、これらの材料はより大きな応力とひずみに耐える必要がある。大きな荷重、大きな動作速度および密な稼動時刻表などの要因のためである。たとえば、平均的な蒸気機関車は、その全盛期に、20〜30年の寿命の間に40万キロメートル(25万マイル)を走行したが、この距離は、高速列車牽引ユニットによるはるかに大きな平均速度の場合、単一年で普通に走行される。エアライン産業においては、より短い所要時間が低料金体系の経済的営業の鍵となっているが、その一方安全性要件は強化され続けている。乗物重量の低減の要求により、複合材料特に積層材の使用が多くなっており、さらに従来金属部品のために開発された非破壊試験技術の多くは、複合材料部品の欠陥の検出にはあまり適当でなく、またこの試験には試験技術が複雑なために検査準備にかなり長い時間がかかることがある。]
発明が解決しようとする課題

[0003] 本発明においては、これらの問題の一つ以上を軽減するのに役立ついくつかの実施形態を開示する。]
課題を解決するための手段

[0004] 本発明は、一つの側面において、
加工物の欠陥を検出するのに使用する装置であって、
(a) 当該加工物に接触する広帯域トランスデューサ、
(b) 当該トランスデューサをアクチュエータモードで作動させるために当該トランスデューサに接続できる駆動回路、
(c) 当該トランスデューサをセンサーモードで作動させるために接続できる信号出力回路、
(d) 当該トランスデューサを当該駆動回路または当該信号出力回路に選択的に接続するための制御機構、
を有する装置、
からなる。]
[0005] 好ましくは、この装置は、データインタフェースを有し、またマイクロプロセッサーが当該制御機構と当該インタフェースとの両方を構成することができる。当該マイクロプロセッサーは、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、データメモリ、無線接続・通信リンクのうち少なくとも一つに接続することができる。]
[0006] 当該駆動回路は、それぞれ周波数F1およびF2の信号を生成するための少なくとも一対の発振器、および、信号F1、F2を足し合わせて当該トランスデューサのための駆動信号を生成するための加算器を有することができる。]
[0007] 本発明は、また、前述の装置の配列、および、通信リンクによって各装置の当該インタフェースに接続された中央コンピュータを有する欠陥検出システムをも含むことができる。]
[0008] 当該コンピュータは、当該通信リンクによって送られる制御信号を生成して、当該信号により、それぞれの装置のトランスデューサをアクチュエータまたはセンサーモードで作動させるためにそれぞれの装置の当該制御機構への命令を行うように構成することができる。当該配列は、加工物全体にわたって広がる格子の形とすることができ、このとき、当該コンピュータは、時間反転モードで当該装置を作動させて、時間反転欠陥生成信号の位置を、当該時間反転欠陥生成信号の中心にもっとも近いセンサーの位置を決定することによって決定することができる。]
[0009] 当該装置は、加工物内に埋め込むことができる。]
[0010] 当該システムは、さらに、専用センサーたとえば狭帯域アクチュエータを有することができる。]
[0011] 当該システムは、さらに専用センサーを有することができる。]
[0012] 当該システムは、センサーモードにある少なくとも一つの装置によって受信される信号をモニターして、出力信号における一つ以上の調波たとえば第三調波を検出し、当該検出に応答して出力を生成することができる。]
[0013] さらに、このシステムは、信号周波数をモニターする電子回路を有することができ、当該検出に応答して出力を生成することができる。]
[0014] 本発明は、もう一つの側面において、
欠陥を検出するシステムであって、
それぞれがインタフェースを有する複数のトランスデューサ、当該トランスデューサの少なくともいくつかをセンサーまたはアクチュエータとして構成する構成装置、当該インタフェースを中央コンピュータに接続する通信リンクを有し、ここで、当該コンピュータが当該インタフェースによって当該構成装置に命令してそれぞれのトランスデューサを構成することができること、
を特徴とするシステム、
からなる。]
[0015] 本発明は、もう一つの側面において、
加工物の微小割れまたは剥離を検出する方法であって、
音波または超音波パルスを加工物に入力し、
加工物内に生成される信号を検出し、
信号をモニターして、パルス周波数の調波たとえば第三調波の出現を検出し、それによって微小割れまたは剥離の存在を検出すること、
を特徴とする方法、
からなる。]
[0016] 当該方法は、さらに、信号をモニターして、その後の調波の相対強度の変化、たとえば第三調波の減少または消滅を検出し、それによって差し迫った構造部分破壊への遷移を検出することを含むことができる。]
[0017] さらに、本発明は、もう一つの側面において、
加工物の欠陥を検出する方法であって、
加工物にそれぞれ周波数F1およびF2の少なくとも二つの信号を入力して加工物内に振動を発生させ、加工物上のもう一つの位置で広帯域受信機によって生成出力を検出し、一つ以上の生成調波、上音または側帯波をモニターして、欠陥の存在または非存在を決定すること、
を特徴とする方法、
を含む。]
[0018] 本発明は、もう一つの側面において、
加工物の欠陥を検出する方法であって、
(a)音波または超音波信号を加工物に入力し、
(b) 加工物にいろいろな力振幅の衝撃を単独または順次に与え、
(c)加工物内の信号の周波数を検出し、
検出信号の周波数偏移を信号振幅の関数としてモニターし、
当該モニターステップが、音波入力周波数を有する検出信号を、電圧制御発振器(VCO)を有する位相ロックループを通じて送り込み、当該VCO制御電圧から周波数偏移を決定すること、
を特徴とする方法、
を含む。]
[0019] さらに、本発明は、もう一つの側面において、
加工物の欠陥を検出する方法であって、
加工物に等振幅であるが180°の位相ずれを有する二つの超音波パルスを入力し、加工物内に生成される振動を検出してそれぞれの出力信号を生成し、当該出力信号の和がとられ、当該和信号の振幅がモニターされて欠陥の存在または非存在が決定されること、
を特徴とする方法、
を含む。]
[0020] 本発明は、さらにもう一つの側面において、
広帯域圧電トランスデューサであって、
(a)圧電素子、
(b)音響整合フロントプレート、
(c) ある範囲の作動周波数にわたって音響減衰を生じるタングステン粒子含有エポキシ樹脂支持(backing)ブロック、
を有することを特徴とするトランスデューサ、
からなる。]
[0021] 当該支持ブロックは、250、25および<1μmの直径のタングステン粒子を含むことができる。当該支持ブロックは、さらにまたは代わりに、当該ブロックの少なくとも一部を通って延びる取り付けロッドを有することができる。好ましくは、取り付けロッドは半硬質材料製とする。]
発明を実施するための最良の形態

[0022] 以上、本発明を定義したが、容易にわかるように、本発明には、上記または下記の説明で述べる特徴の任意の発明的組合せが含まれる。]
[0023] 本発明は、いろいろなやり方で実施できる。以下では、添付の図面を参照しつつ、例として、特定実施形態について説明する。]
[0024] 加工物の欠陥の検出のための超音波技術は周知であり、いろいろなトランスデューサが使用される。大部分の構成においては、少なくとも一つの超音波トランスデューサが、加工物の表面を通過し、加工物内に超音波パルスを送り、反射信号を検出する。他の実施形態においては、送信機が加工物上の一つの位置に配置され、加工物上の一つ以上の受信機が生成信号を検出する。]
[0025] 一般に、トランスデューサと受信機は、特定目的のために、非常に特殊な設計がなされており、狭帯域の信号しか処理することができないことが多い。また、使用される技術は加工物に特異的なものであることが多い。さらに、この技術を複合材料に使用しようとするときにも、問題が生じる。]
[0026] これらの問題の多くは、航空機の場合に発生する。この場合、完全性試験が非常に望ましいが、軽量化と燃料効率の向上とのために複合材料の使用がますます多くなっているからである。精密調節(finely tuned)埋め込みトランスデューサの使用などのいくつかの提案がなされているが、これらの方法は、非常に大きな費用のかかることが多い、かなり部品特異的なものであり、結果の違いの識別には多くの計算が必要となりうる。]
[0027] もっと柔軟性が高く、特に、迅速かつ簡単に部品が欠陥を有するかどうかを決定することのできるトランスデューサと方法とが必要である。]
[0028] 本件の出願人は、この点との関連で、すなわち、トランスデューサを送信機または受信機として作動しうる広帯域超音波トランスデューサとして構成できないか、という考察に一部もとづいて、いくつかの方法を開発した。そのようにすれば、処理すべき問題に応じて使用者が選択できる広範囲の技術が実現できるであろう。装置をアナログ/デジタルモードで使用できるようにすることにより、また、共通データバスにいくつかのトランスデューサを配置して、特に航空機の場合一般にデータの無線送信が可能でないというような、現在の多くの送信の問題を克服することができる。]
[0029] 容易にわかるように、この装置は必要な波形データをプログラムし、したがっていろいろな複雑な波形を送信することができる。評価すべきいくつかの例は、特定持続時間の正弦波バースト、正弦波の和のバースト、および周波数掃引(sweep)である。図6においては、マイクロプロセッサー33が、独立のカウンターによってアドレス指定されるSRAMメモリに接続され、装置が受信信号をサンプリングするとき、またはあらかじめプログラムされている波形を送信するとき、A/Dコンバータ31またはD/Aコンバータ32が、このメモリに直接アクセスする。前記カウンターは、各受信または送信データサンプルごとに増分される。この構成の特別な利点は、カウンターを、逆向きの計数すなわち減分が可能であるようにできるということである。これは、時間反転法に直接適用できる。この方法では、メモリに記録された受信信号データが、加工物に時間的に逆の順序で戻し送信される。その利点は、データを他の装置にまたは他の装置から移す必要がないということである。さらに、独立のカウンターを使用する方法により、装置間の非常に正確な同期が可能になる。計数をマイクロプロセッサーとは無関係に同時に開始できるからである。送信波形とすべての受信信号とが正確に同時に記録され、データひずみがほとんどまたはまったく存在しない。]
[0030] マイクロプロセッサーは、カウンターに対して一連の所定計数命令を実行することができ、それによってデータをメモリ空間の任意の部分から取り出し、また読み込むことができる。この方法は、調波成分に関してデータをフィルターする必要のある時間反転法を使用する場合に有効使用できる。]
[0031] 図1および2は、トランスデューサアセンブリの基本的部分を示す。]
[0032] 図2からもっともよくわかるように、トランスデューサ10は、タングステンエポキシ支持体12に取り付けられた圧電結晶11を有する。ばね荷重が加えられるねじ付きのナイロンロッド13とナット14とが、トランスデューサのそのハウジングへの取り付けに使用され、トランスデューサが加工物に接触配置されるときに力を加える。また、電気接続線15が支持体12を通過しており、整合フロントプレート16が結晶11の前部表面に取り付けられている。]
[0033] 圧電結晶は、好ましくは、エポキシ/PZT複合材料からなり、PZT:エポキシ比は加工物材料に合わせて変えることができる。たとえば、加工物がアルミニウム製である場合、アルミニウムが12MRaylの音響インピーダンスを有し、このPZT/エポキシ要素も12MRaylの音響インピーダンスを有し、同様にタングステン/エポキシ支持材料も12MRaylの音響インピーダンスを有する。この構成の場合、要素のすべてが音響的に整合しているので、トランスデューサ内で内部反射は起こらないと考えられる。そのため、このタイプのトランスデューサの広帯域特性が与えられる。]
[0034] エポキシ中のタングステンは、一般に、トランスデューサの使用を意図する周波数に合わせた一定寸法の球からなる。しかし、大きな球が必要な低周波数の場合、これは非常に不都合である。というのは、単位体積あたり限られた数の球しかはいらないからである。本件の出願人が見出したところによれば、ある範囲の球寸法を有するようにしてそのようなトランスデューサの周波数範囲制限を克服することができる。こうすることにより、必要なタングステン密度が実現できるばかりでなく、いろいろな周波数に対して必要な球寸法を与えることもできる。たとえば、250、25および<1μmの直径のタングステン粒子を含む支持ブロックにより、特に実用性の高いトランスデューサが与えられる。ナイロンロッド13の半硬質特性も有効である。これにより、支持体に共振が起こらない。]
[0035] 容易にわかるように、トランスデューサ10は、付随する回路板18とともに、枠17に取り付けられる。そのようなボックスアセンブリの全体の一例を、図3および4に19で示す。]
[0036] 図5は、そのような構成19の回路を示す。この場合、信号処理の全体にわたって、アナログ信号が使用される。トランスデューサ10は、信号を受信して、21の多極スイッチをリレー制御することができる。このトランスデューサが受信機として作用しているとき、スイッチは、図5に示すように接続されており、その出力信号は、差動チャージ増幅器(differential charge amplifier)22、したがってもう一つの増幅器・レベル変換器23に送られ、23の出力は、もう一つのスイッチ24したがってインタフェース25に送られる。インタフェース25は、データバスに接続することができる。トランスデューサが送信モードにあるとき、スイッチ24と21は、別のチャンネルを形成するように切り換えられる。この場合、送信信号は、増幅器・レベル変換器26および電力増幅器作動出力27、それからスイッチ21を通ってトランスデューサ10に送られる。スイッチ21、24の位置は、インタフェース25から出力28によって制御され、またこのインタフェースは29から必要な電力供給を行う。このインタフェースは出力30によって増幅器23、26のゲインをも調節する。]
[0037] 容易にわかるように、トランスデューサ10は広帯域で作動させることができ、またインタフェース25を通じて送信機または受信機として遠隔設定することができるので、本件の出願人は、欠陥検出に使用するためのきわめて柔軟な構成を作り出すことができたといえる。]
[0038] 図6は、送信および受信される信号が、それぞれのコンバータ31、32によってアナログからデジタルまたはデジタルからアナログに変換される対応構成を示し、このときマイクロプロセッサー33がインタフェースとして作用する。このトランスデューサは、増幅器モジュールに接続されており、このモジュールは、大体において、図5の要素22、23、26および27の代替物である。容易にわかるように、デジタル信号使用の利点は、信号を中央コンピュータとやりとりするのが容易であるということである。]
[0039] 図7は、もう一つの実施形態を示し、この場合、制御回路がそれぞれの周波数F1およびF2を生成するための正弦波発振器34、35を備えている。これらの正弦波は、トランスデューサ10が二つの周波数を同時に送信する必要のある実施形態の場合、36で和をとることができる。]
[0040] 図8は、信号F1およびF2を送信する類似の“アナログ”版を示し、他の点では図5と同じである。]
[0041] 図9は、基本的なシステム構成を示す。二つのユニット19が加工物37に当てられ、右側のものは、送信のための設定がなされ、左側のものは、受信のための設定がなされている。これらのユニットは、通信リンク38たとえばデータバスに接続され、この通信リンクは、ローカルコンピュータ39に接続されている。このローカルコンピュータは、インターネット接続線40によって、他のコンピュータまたはメインフレームコンピュータに接続することができる。]
[0042] 図10は、図9に示すものと大体同じ代替構成を示すが、41にユニット19が使用されていて、模式的に42で示すアクチュエータまたはハンマーを作動させるようになっている、という点が異なる。]
[0043] 図11は、図9とまったく同じであるが、二つのパルスを送信する可能性を考慮したものである。]
[0044] 図12は、加工物全体にわたる配列を構成するユニット19を示す。ここに示す特定構成の場合、中心ユニット19は、送信に設定され、まわりのユニットは受信に設定されている。容易にわかるように、別の配列たとえば5×5とすることもできる。]
[0045] 当業者にはわかるように、図9に示す基本構成は、通常の工業的方法で使用することができる。その場合、送信に設定されたユニット19は、適当な共振周波数を送信し、受信ユニットが共振減衰信号を記録する。欠陥が存在する場合、振幅が減衰するにつれて周波数偏移が生じる。]
[0046] 当業者は時間反転の概念にもなじんでいるが、念のために、これを図16で説明する。本件の出願人は、受信機および送信機のどちらとしても作動しうるトランスデューサのきわめて柔軟な配列を構成することができた。この構成により、理論的に考えうる可能性をずっと上回る時間反転を実現することができ、また初期パイロット信号(図16の発生源)を配列内の任意の場所で生成させることが可能になった。さらに、出願人は、時間反転再送信が大エネルギーで実行される場合、かなりのエネルギーがもともとの発生源の場所に配送される、ということを明らかにした。このようにして、強く収束したエネルギーを配列の下の試験材料表面の任意の点に与えることができる。再集中位置そのものに欠陥が存在すると、調波が生成されて、それが再集中位置のユニットだけでなく、周囲のユニット19によっても観察される。]
[0047] 図9の構成に戻ると、容易にわかるように、それぞれ送信(T)および受信(R)モードにあるユニット19と欠陥との間の関係は、図13(a)、(b)および(c)に示す例のどれであってもよい。対応する出力を、図14(a)、(b)および(c)に示す。特に、注意すべきことは、図14(a)と14(b)とにおいて、第三調波がまず低衝撃下で急上昇するが、大衝撃下で第二調波が上昇するにつれて、減少してしまう、ということである。上昇する第三調波は、加工物が微小割れの状態にあることを示すが、剥離が起こると、この調波は減少し、第二調波が急上昇する、と考えられる。このように、出願人は、微小割れを検出することができ、微小割れを剥離の開始と区別する方法を開発した。これをなしうる他のシステムは知られていない。その有効性は図15のグラフにも示されている。]
[0048] 図17は、もう一つの作動モードを示し、この場合、同一周波数および振幅であるが180°位相がずれた二つのパルスが送信される。図17(a)は、このパルスによって生成される加工物からの受信信号を示し、図17(b)は、これらの和信号を示す。図17(a)および(b)は、欠陥がない状態を示す。それに対して、図17(c)および(d)は、欠陥が存在する場合の対応する結果である。注意すべきことは、図17(d)は、明瞭な出力を示しているが、図17(b)の信号は、実質的にゼロである、ということである。したがって、この方法により、欠陥の存在を示す簡単に読み取れる出力を迅速に生じるが、多大の計算と時間を要する大規模な周波数解析の必要がない。代替実施形態においては、各信号の最大振幅の比がとられる。この比の値が欠陥の存在または非存在の指標となる。]
[0049] 観察されるように、(a)における波形は実質的に三角形であるが、(b)における波形はより正弦曲線に近い。これは試験片において非損傷炭素繊維が互いに固定しあっているため、三角波を生じるが、損傷が起こると、炭素繊維が容易に動けるようになって、正弦波出力が生じるのである、と考えられる。二つの波形の間の遷移の程度が、損傷の初期指標となりうる。]
[0050] たとえば図9における構成の場合のトランスデューサの広帯域により、トランスデューサは側帯波を捕らえることができる。これらの側帯波の存在も、損傷の指標であるとみなされ、変調指数を用いて定量化することができる。これらの側帯波は、通常二つの周波数の波が送信されるときに生成される。これらの波は、前述の回路を用いて、単一のトランスデューサ19から送信することができ、あるいは二つの独立送信機を使用することができる。]
[0051] 図10に示す構成の場合、加工物の変形したがって欠陥の開閉のための大エネルギーアクチュエータの使用が公知であるが、ユニット19を使用してこのアクチュエータを駆動することが特に有効である。そうすることにより、このアクチュエータ全体を簡単に制御システムに組み込むことができるからである。]
[0052] 衝撃ハンマーを使用する場合、現在普通なのは、波形の一部の“ウィンドウ”のフーリエ解析を用いて、減衰パルスに生じる周波数変化を決定するものであるが、これには非常に時間がかかる。出願人は、受信信号を位相固定ループを通過させることを提案する。この位相固定ループにおいては、入力周波数を基準周波数として使用して、フィードバック信号をモニターすることができる。フィードバック信号は周波数変化の指標となるからである。そのようにすれば、周波数偏移が即時にわかる。]
[0053] スピーカーを使用して、加工物を共振させることができ、入力を停止させたあと、周波数偏移を、加工物の振動の減衰時に、測定することができる。]
[0054] レーザー干渉計を使用し、周波数掃引をスピーカーに適用して、共振ピークを測定することができる。]
[0055] この共振周波数は、加工物に大振幅振動を与えるために使用できる。そのあと、スピーカーを切り、振動の減衰時に、周波数偏移を測定する。]
[0056] コンクリート構造物の試験には、同様の問題の多くが生じる。通常の超音波送信・パルス反射法には、コンクリートの性質と組成とのため制限がある。コンクリートは多数の反射と非直接波線経路とを生じるからである。]
[0057] 非線形音響法では、超音波が媒質の表面領域を通ってまたは表面上を伝わるときの超音波波形の変化を決定することが試みられている。これらの変化は、応力-ひずみ関係および材料のヒステリシス特性に直接関係しており、波線経路にはあまり大きくは影響されない。損傷材料特に微小割れを有するものは、応力-ひずみ曲線が弾性に関するフックの法則に従わず、応力はひずみに比例せず、線形ではない。さらに、これらの材料は、非対称の応力-ひずみ関係を有することが多い。これは、圧縮力に対する応答が、引張り力に対するそれと異なる性質を有するからである。それは、引張りまたは圧縮荷重下で、クラックが開いたり閉じたりするためである。]
[0058] 非線形挙動の場合の応力-ひずみ曲線を、図18に示す。非線形性が与える結果は、純正弦波の形の応力負荷はすべて、この波が材料を伝わる間に変形することを示すひずみを生じる、ということである。これは、図19に示されている。このひずみの程度は、前述のように、このひずんだ波形のスペクトル成分を調べることにより測定される。第二、第三およびさらに高次の調波が存在し、これらは損傷の量に関係する。非線形効果への大きな感受性は、材料に複雑な波形、たとえば二つの正弦波の和からなる波形、を送信することにより、実現することができる。すべての非線形性は、スペクトルに多数の周波数成分、相互変調生成成分と呼ばれるもの、を生じるように作用する。ただ一つのトランスデューサのみを使用してこれらの複雑波形を送信するようにすれば、かなりの実用的利点が得られる。その実現のために、コンクリートの内部または接点で非線形効果を生じない、試験材料に音響的に整合した広帯域トランスデューサを開発した。これらのトランスデューサを、本明細書で述べる実験で使用した。]
[0059] 音波を使用して材料中の非線形効果を測定する実用的システムによるもっとも簡単な方法は、純音(純正弦波)が材料の内部または表面を伝わるときに生成される調波を測定するものである。この方法を図20の下の図に示す。ここでは、送信機43と受信機44が加工物45に取り付けられている。]
[0060] 調波は、受信信号のエネルギースペクトルを調べることにより測定される。送信周波数(基本周波数)の波の振幅が、各調波周波数の波の振幅と比較される。これらの調波は、基本周波数の波からの減少がデシベル(dB)で表される。すなわち、基本波の振幅からどれだれ下がったかというデシベル数で表される。これらの値は、百分率で表されるひずみ率に変換することができる。他の非調和関係周波数も、音波によって、特に、ひどい欠陥が存在する場合、生成させることができる。これらは、アコースティックエミッション、ヒステリシスその他の効果から生じる上音および雑音と呼ばれる。]
[0061] 図21には、二つのコンクリート試験円柱(長さ300 mm、直径150 mm)の写真を示す。図22には、これらの二つのコンクリート円柱の表面に50 kHzの正弦波を送ることによって得られた結果を示す。ひどく割れのはいった領域で生成される第二調波がはっきりと見られ、1%よりも大きなレベルのひずみを有する。第三および第四調波はそれほど目立たないが、0.5%よりも大きな値を有する。非損傷コンクリート試料の明瞭な調波を生成せず、主として0.25%よりも小の雑音を示している。]
[0062] 図23の写真は、微小割れを有するドリル採取試験円柱を示し、右側には超音波送信機、左側には受信機が配置されている。図24のスペクトルグラフの青い方は、コンクリート内の割れに近いところを通る線に沿ってなされた送信と受信は、0.5%を越える割合に大きなレベルの第二、第三および第四調波が生成されることを示している。割れから遠い線に沿う送信と受信(赤で示す)は、ほとんど調波成分を生じない。]
[0063] 周波数の異なる二つの正弦波を加え合わせた場合、生成されるエネルギースペクトルは変化しない。これを図25の下部に示す。]
[0064] 異なる周波数f1およびf2で振幅が同じ二つの正弦波形の和からなる超音波は、[sin(a)+sin(b)]で表される。ここで、a=2πf1tおよびb=2πf2t。この波形が、二乗則応力-ひずみ関係を示す材料を通過するとき、生成される波は、
A(t)=[sin(a)+sin(b)]2
と表すことができる。これを展開すると、
A(t)=sin2(a)+2sin(a)sin(b)+sin2(b)
三角法の恒等式sin(a)sin(b)=1/2[cos(a−b)−cos(a＋b)]を使用し、sin(a)sin(a)=1/2[cos(a−a)−cos(a＋a)]=1/2[cos(0)−cos(2a)]=1/2[1−cos(2a)](∵cos(0)=1)に注意すると、次の式が得られる。
A(t)=1/2[1−cos(2a)]＋[cos(a−b)−cos(a＋b)]＋1/2[1−cos(2b)]
整理すると、
A(t)=1＋cos(a−b)−cos(a＋b)−1/2cos(2a)−1/2(2b)]
[0065] 図26は、この方法によって得られるグラフ表示を示す。この方法では、四つの異なる周波数と一つの定数項が生じる。これらの周波数は、f1およびf2の第二調波2f1および2f2、ならびにf1およびf2の和周波数と差周波数すなわちf1＋f2およびf2−f1である。第二調波の振幅は、和周波数および差周波数の振幅の半分である。]
[0066] 和および差周波数の生成においては大きな変化があるので、非線形性の指標として大きな感度が与えられる。正弦波の和を、二乗則応力-ひずみ関係よりも大きな次数の非線形性に適用すると、多くの他の倍音、和および差を組合せた結果が生じて、スペクトルに現れる。]
[0067] 図27には、コンクリートの試験試料立方体(寸法50×50×50mm)に対向配置された送信機と受信機の写真を示す。この図には、選択した二つのコンクリート試験試料を示す。一つは全長にわたって割れが走っており、他は損傷のないものである。送信機は単一の圧電広帯域アクチュエータを有し、このアクチュエータはあらかじめプログラムされた周波数の二つの正弦波形の和を連続送信する。]
[0068] 図28は、各コンクリート試験立方体を通過した受信波形に関するスペクトルのグラフを示す。二つの周波数の振幅の違いは、コンクリートにおける周波数依存の超音波減衰から生じ、損失は周波数が大きいほど大きい。損傷試料のデータは青で、健全試料のデータは赤で示す。損傷試料は、割れにより調波と相互変調生成成分が生じることを明瞭に示している。高周波数側の160 kHzの側帯波(f1＋f2)は、健全試料の場合0.5%よりも小であるが、損傷試料では、1%よりも大きくなる。240 kHzのf2の第二調波は、健全試料の56dB(0.16%)から損傷試料の0.5%よりも大に上昇する。調波および相互変調生成成分の組合せの効果は、周波数範囲200〜350 kHzで非常に顕著である。たとえば、2f2(240 kHz)、2f1＋f2(200 kHz)、f1＋2f2(280 kHz)および2f1＋2f2(320 kHz)。その結果は、広範囲におけるピークと谷の生成であり、波の周波数と位相の相互作用に対応し、この効果は、健全試料と損傷試料との間の違いを覆い隠してしまいうる。二つの周波数f2とf1の正しい選択が重要な因子となる。図29は、二つの異なる周波数の組合せで得られるスペクトルによってこのことを示す。ここで、f1＋f2はf1の第三調波(3f1)の影響によって、低下している。]
[0069] 図30は、すでに図21に示した、コンクリート試験円柱試料の軽い損傷領域の表面においてとられたスペクトルのグラフを示す。この試験は二つの周波数40および70 kHzでなされた。この二つの基本周波数は明瞭なスペクトルピークを作るほどには離れていないが、相互変調生成成分および特に2(f1＋f2)のf1＋f2二倍音は、損傷領域において1%ひずみよりも大の非常に明瞭なピークを示している。]
[0070] 図31は、微小割れドリル採取円柱試料に使用した二つの周波数を示している。この二周波数超音波波形は、二つの位置で試料を通して送られた。一つは、割れに沿って送られたものであり、波形を青で示してあり、他は、割れから離れたところを送られ、波形を赤で示してある。二つの位置の違いは非常にはっきりしている。割れのある領域は、0.5%よりも十分大きなひずみ率の調波と相互変調生成成分を示し、f1＋f2は1%よりも大きい。割れの少ない領域では、すべてのレベルが0.5%よりも小であり、250 kHzよりも大きな周波数では、0.25%よりも小さい。]
[0071] 図32は、同じ円柱試料に関するものであるが、ここでは、一つの表面のみを試験した。受信機位置を文字Rで示し、送信機位置を文字Tで示す。赤いグラフは、割れから離れた位置に関するものであり、青いグラフは割れに近い位置に関するものである。低周波数の場合、二つの位置には小さな違いしかないが、300 kHzより上の高い周波数では、割れのある領域は、かなり大きなレベルの相互変調生成成分特に3f2＋f1(310 kHz)を生じる。]
[0072] 図33に示されているように、送信機43には、信号発生器46から電力供給することができ、受信機44は、その出力をモニター/比較器47に送ることができる。モニター/比較器47は、調波および/または相互変調生成成分の振幅を測定して、それを一つ以上の所定レベル(たとえば、前記のような0.5%および1%レベル)と比較する。それから、モニター/比較器47は、合格もしくは不合格信号、または合格、要確認もしくは不合格信号を生成することができる。これらの結果は、49で示すように、たとえば赤および緑の光ディスプレイまたは赤、黄色、緑のディスプレイを使用して表示器48で表示することができる。]
図面の簡単な説明

[0073] トランスデューサユニットの模式図である。
図1の装置で使用するトランスデューサユニットの図である。
図1に示すタイプの実際のユニットの上から見た図である。
図1に示すタイプの実際のユニットの下から見た図である。
図1の装置で使用するためのいろいろな電子機器構成を示す図である。
図1の装置で使用するためのいろいろな電子機器構成を示す図である。
図1の装置で使用するためのいろいろな電子機器構成を示す図である。
図1の装置で使用するためのいろいろな電子機器構成を示す図である。
いろいろな試験モードで使用するための、中央コンピュータに接続された各種構成のトランスデューサ装置を示す図である。
いろいろな試験モードで使用するための、中央コンピュータに接続された各種構成のトランスデューサ装置を示す図である。
いろいろな試験モードで使用するための、中央コンピュータに接続された各種構成のトランスデューサ装置を示す図である。
いろいろな試験モードで使用するための、中央コンピュータに接続された各種構成のトランスデューサ装置を示す図である。
欠陥を含む試験加工物上のいくつかの装置配置を示す図である。
欠陥を含む試験加工物上のいくつかの装置配置を示す図である。
欠陥を含む試験加工物上のいくつかの装置配置を示す図である。
対応する出力を示す図である。
対応する出力を示す図である。
対応する出力を示す図である。
透過モードでトランスデューサによって励起される加工物における、センサーモードのトランスデューサ装置の出力を示す図である。加工物に対する荷重が順次に増大させられている。
透過モードでトランスデューサによって励起される加工物における、センサーモードのトランスデューサ装置の出力を示す図である。加工物に対する荷重が順次に増大させられている。
透過モードでトランスデューサによって励起される加工物における、センサーモードのトランスデューサ装置の出力を示す図である。加工物に対する荷重が順次に増大させられている。
透過モードでトランスデューサによって励起される加工物における、センサーモードのトランスデューサ装置の出力を示す図である。加工物に対する荷重が順次に増大させられている。
透過モードでトランスデューサによって励起される加工物における、センサーモードのトランスデューサ装置の出力を示す図である。加工物に対する荷重が順次に増大させられている。
透過モードでトランスデューサによって励起される加工物における、センサーモードのトランスデューサ装置の出力を示す図である。加工物に対する荷重が順次に増大させられている。
透過モードでトランスデューサによって励起される加工物における、センサーモードのトランスデューサ装置の出力を示す図である。加工物に対する荷重が順次に増大させられている。
時間反転欠陥検出の時系列説明図である。
時間反転欠陥検出の時系列説明図である。
時間反転欠陥検出の時系列説明図である。
時間反転欠陥検出の時系列説明図である。
もう一つの実施形態で得られる波形を示す図である。
もう一つの実施形態で得られる波形を示す図である。
もう一つの実施形態で得られる波形を示す図である。
もう一つの実施形態で得られる波形を示す図である。
非線形応力-ひずみの関係を示すグラフである。
生成される波形ひずみを示すグラフである。
コンクリート試料に対するトランスデューサ構成の模式図である。
割れを含むコンクリート試料と損傷のないコンクリート試料の写真である。
図21の試料から得られた試験結果を示す図である。
試験のために用意したコンクリート試料の写真である。
図23の試料から得られた試験結果を示す図である。
二つの正弦曲線の和を示す図である。
和をとった正弦曲線の使用によって得られる相互変調生成成分を示す図である。
試験配置と試験試料を示す図である。
図27の試料に関する試験結果を示す図である。
図27の試料に関する試験結果を示す図である。
図27の試料に関する試験結果を示す図である。
円柱試料貫通試験による結果を比較可能なように示す図である。
円柱試料表面試験による結果を比較可能なように示す図である。
検出装置の回路構成を模式的に示す図である。]
[0074] 10トランスデューサ
11圧電結晶
12支持体
13ナイロンロッド
14ナット
15電気接続線
16整合フロントプレート
17 枠
18回路板
19ボックスアセンブリ
21多極スイッチ
22 差動チャージ増幅器
23増幅器・レベル変換器
24 スイッチ
25インタフェース
26 増幅器・レベル変換器
27電力増幅器差動出力
28 出力
30 出力
31 A/Dコンバータ
32 D/Aコンバータ
33マイクロプロセッサー
34正弦波発振器
35 正弦波発振器
36加算器
37加工物
38通信リンク
39ローカルコンピュータ
40インターネット接続線
43送信機
44受信機
45 加工物
46信号発生器
47モニター/比較器
48 表示器]

权利要求:

請求項1
加工物の欠陥を検出するのに使用する装置であって、(a)当該加工物に接触する広帯域トランスデューサ、(b)当該トランスデューサをアクチュエータモードで作動させるために当該トランスデューサに接続できる駆動回路、(c)当該トランスデューサをセンサーモードで作動させるために接続できる信号出力回路、(d)当該トランスデューサを当該駆動回路または当該信号出力回路に選択的に接続するための制御機構、を有する装置において、当該駆動回路が、それぞれ少なくとも周波数F1およびF2の信号を生成するための少なくとも一対の発振器、および、信号F1、F2を足し合わせて当該トランスデューサのための駆動信号を生成するための加算器を有すること、を特徴とする装置。
請求項2
さらにデータインタフェースを有する請求項1に記載の装置。
請求項3
マイクロプロセッサーが当該制御機構と当該インタフェースとの両方を構成することを特徴とする請求項2に記載の装置。
請求項4
当該マイクロプロセッサーが、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、データメモリ、無線接続・通信リンクのうち少なくとも一つに接続されていることを特徴とする請求項3に記載の装置。
請求項5
当該メモリが、当該マイクロプロセッサーまたは外部クロックカウンターによってアドレス指定できることを特徴とする請求項4に記載の装置。
請求項6
請求項1から5の中のいずれか一つに記載の装置の配列、および、通信リンクによって各装置の当該インタフェースに接続された中央コンピュータその他の電子機器を有することを特徴とする欠陥検出システム。
請求項7
当該コンピュータが、当該通信リンクによって送られる制御信号を生成して、当該信号により、それぞれの装置のトランスデューサをアクチュエータまたはセンサーモードで作動させるためにそれぞれの装置の当該制御機構への命令を行うことを特徴とする請求項6に記載のシステム。
請求項8
当該配列が、加工物全体にわたって広がる格子の形になっており、また、当該コンピュータその他の電子機器が、時間反転モードで当該装置を作動させて、時間反転欠陥生成信号の位置を、当該時間反転欠陥生成信号の中心にもっとも近いセンサーの位置を決定することによって決定することを特徴とする請求項7に記載のシステム。
請求項9
当該装置が加工物内に埋め込まれていることを特徴とする請求項6から8の中のいずれか一つに記載のシステム。
請求項10
専用センサーを有することを特徴とする請求項6から9の中のいずれか一つに記載のシステム。
請求項11
センサーモードにおいて、少なくとも一つの装置によって受信される信号をモニターし、また、センサー出力信号における調波または相互変調生成成分を検出し、当該検出に応答して出力を生成するモニターを有することを特徴とする請求項6から10の中のいずれか一つに記載のシステム。
請求項12
さらに、出力信号の振幅が第一の所定レベルを越えたかどうかを検出する比較器を有することを特徴とする請求項11に記載のシステム。
請求項13
当該比較器が、出力信号の振幅が第二の所定レベルを越えた時点を検出することを特徴とする請求項12に記載のシステム。
請求項14
当該比較器が、所定レベルを越えたときに表示を与えることを特徴とする請求項12または13に記載のシステム。
請求項15
欠陥検出システムであって、加工物の欠陥を検出するのに使用する、(a)当該加工物に接触する広帯域トランスデューサ、(b)当該トランスデューサをアクチュエータモードで作動させるために当該トランスデューサに接続できる駆動回路、(c)当該トランスデューサをセンサーモードで作動させるために接続できる信号出力回路、(d)当該トランスデューサを当該駆動回路または当該信号出力回路に選択的に接続するための制御機構、を有する各装置の配列と、通信リンクによって各装置のインタフェースに接続された中央コンピュータその他の電子機器と、を有するシステムにおいて、当該コンピュータが、当該通信リンクによって送られる制御信号を生成して、それぞれの当該装置の制御機構に命令を与えて、付随するトランスデューサをアクチュエータまたはセンサーモードで作動させるようになっており、また、当該配列が加工物全体に広がる格子の形になっており、また、当該コンピュータその他の電子機器が、時間反転モードで当該装置を作動させて、時間反転欠陥生成信号の位置を、当該時間反転欠陥生成信号の中心にもっとも近いセンサーの位置を決定することによって決定すること、を特徴とするシステム。
請求項16
さらに、データインタフェースを有することを特徴とする請求項15に記載のシステム。
請求項17
マイクロプロセッサーが当該制御機構と当該インタフェースとの両方を構成することを特徴とする請求項16に記載のシステム。
請求項18
当該マイクロプロセッサーが、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、データメモリ、無線接続・通信リンクのうち少なくとも一つに接続されていることを特徴とする請求項17に記載のシステム。
請求項19
当該メモリが当該マイクロプロセッサーまたは外部クロックカウンターによってアドレス指定できることを特徴とする請求項18に記載のシステム。
請求項20
当該装置が加工物内に埋め込まれることを特徴とする請求項15から19の中のいずれか一つに記載のシステム。
請求項21
専用センサーを有することを特徴とする請求項15から20の中のいずれか一つに記載のシステム。
請求項22
当該センサーモードにおいて、少なくとも一つの装置によって受信される信号をモニターし、また、センサー出力信号における調波または相互変調生成成分を検出し、当該検出に応答して出力を生成するモニターを有することを特徴とする請求項15から20の中のいずれか一つに記載のシステム。
請求項23
さらに、出力信号の振幅が第一の所定レベルを越えたかどうかを検出する比較器を有することを特徴とする請求項22に記載のシステム。
請求項24
当該比較器が、出力信号の振幅が第二の所定レベルを越えた時点を検出することを特徴とする請求項23に記載のシステム。
請求項25
当該比較器が、所定レベルを越えたときに表示を与えることを特徴とする請求項23または24に記載のシステム。
請求項26
欠陥検出システムであって、加工物の欠陥を検出する、(a)当該加工物に接触する広帯域トランスデューサ、(b)当該トランスデューサをアクチュエータモードで作動させるために当該トランスデューサに接続できる駆動回路、(c)当該トランスデューサをセンサーモードで作動させるために接続できる信号出力回路、(d)当該トランスデューサを当該駆動回路または当該信号出力回路に選択的に接続するための制御機構、を有する各装置の配列と、通信リンクによって各装置のインタフェースに接続された中央コンピュータその他の電子機器と、を有すること、を特徴とするシステム。
請求項27
さらに、データインタフェースを有することを特徴とする請求項26に記載のシステム。
請求項28
マイクロプロセッサーが当該制御機構と当該インタフェースとの両方を構成することを特徴とする請求項27に記載のシステム。
請求項29
当該マイクロプロセッサーが、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、データメモリ、無線接続・通信リンクのうち少なくとも一つに接続されていることを特徴とする請求項28に記載のシステム。
請求項30
当該メモリが当該マイクロプロセッサーまたは外部クロックカウンターによってアドレス指定できることを特徴とする請求項29に記載のシステム。
請求項31
欠陥を検出するシステムであって、それぞれがインタフェースを有する複数のトランスデューサ、当該トランスデューサの少なくともいくつかをセンサーまたはアクチュエータとして構成する構成装置、当該インタフェースを中央コンピュータに接続する共通バス通信リンクを有し、ここで、当該コンピュータが当該インタフェースによって当該構成装置に命令してそれぞれのトランスデューサを構成することができること、を特徴とするシステム。
請求項32
加工物の微小割れまたは剥離を検出する方法であって、音波または超音波パルスまたは信号を加工物に入力し、加工物内に生成される信号を検出し、信号をモニターして、パルス周波数の第三調波の出現を検出し、それによって微小割れの存在を検出し、さらに、信号をモニターして、その後の第三調波の減少または消滅を検出し、それによって差し迫った構造部分破壊への遷移を検出すること、を特徴とする方法。
請求項33
当該入力パルスが大エネルギーパルスであることを特徴とする請求項32に記載の方法。
請求項34
当該入力信号が二つの周波数の間の範囲の周波数を有することを特徴とする請求項32に記載の方法。
請求項35
加工物の欠陥を検出する方法であって、加工物にそれぞれ周波数F1およびF2の少なくとも二つの信号を入力して加工物内に振動を発生させ、加工物上のもう一つの位置で広帯域受信機によって生成出力を検出し、一つ以上の生成調波、上音または側帯波をモニターして、欠陥の存在または非存在を決定し、ここで、少なくとも二つの周波数F1およびF2が単一の送信機によって同時に入力されること、を特徴とする方法。
請求項36
当該側帯波が変調指数を決定することによってモニターされることを特徴とする請求項35に記載の方法。
請求項37
加工物の欠陥を検出する方法であって、(a)音波または超音波信号を加工物に入力し、(b)加工物にいろいろな力振幅の衝撃を単独または順次に与え、(c)加工物内の信号の周波数を検出し、(d)検出信号の周波数偏移を信号振幅の関数としてモニターし、当該モニターステップが、検出信号を、電圧制御発振器(VCO)を有する位相ロックループを通じて送り込み、当該VCOの追跡電圧から周波数偏移を決定すること、を特徴とする方法。
請求項38
加工物の欠陥を検出する方法であって、加工物内のある位置に、等振幅であるが180°の位相ずれを有する二つの超音波パルスを入力し、加工物内に生成される振動を検出してそれぞれの出力信号を生成し、当該信号の振幅をモニターして欠陥の存在または非存在を決定すること、を特徴とする方法。
請求項39
当該出力信号それぞれの最大振幅が比をとることによって比較され、その値が欠陥の存在または非存在の指標となることを特徴とする請求項38に記載の方法。
請求項40
当該出力信号の和がとられ、当該和信号の振幅がモニターされて欠陥の存在または非存在が決定されることを特徴とする請求項38に記載の方法。
請求項41
広帯域圧電トランスデューサであって、(a)圧電素子、(b)音響整合フロントプレート、(c)ばね荷重ロッドを有する、ある範囲の作動周波数にわたって音響減衰を生じるタングステン粒子含有エポキシ樹脂支持ブロックであって、当該トランスデューサと加工物との間の支持と静的力とを与える支持ブロック、を有することを特徴とするトランスデューサ。
請求項42
当該支持ブロックがある範囲の直径たとえば250、25および<1μmの直径のタングステン粒子を含むことを特徴とする請求項41に記載のトランスデューサ。
請求項43
当該ロッドが半硬質材料たとえばナイロン製であることを特徴とする請求項41に記載のトランスデューサ。