超音波プローブ並びに検査方法及びシステム
【課題】超音波浸漬検査技法を使用して、産業用構成部品を検査するために必要な時間を短縮する。
【解決手段】部品１０を物質速度ｃＷを有する結合媒体２２の中に部品を浸漬し、少なくとも１つの変換器１２を有する超音波ＵＴプローブ２０（音響速度ｃＬ及び約２．５×１０６Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズ１４を有する）を結合媒体の中に浸漬する。そして、部品の内部に向かって方向付けられたＵＴパルスを発生するために変換器を励起し、変換器を受信要素として使用してエコー信号を発生する。ＵＴ検査システム３０は、ＵＴプローブと、少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、変換器要素に信号励起パルスを供給するように構成されたパルサ／受信器３２と、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、ＵＴプローブによって部品を走査するように構成されたスキャナ３４とを含む。
【解決手段】部品１０を物質速度ｃＷを有する結合媒体２２の中に部品を浸漬し、少なくとも１つの変換器１２を有する超音波ＵＴプローブ２０（音響速度ｃＬ及び約２．５×１０６Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズ１４を有する）を結合媒体の中に浸漬する。そして、部品の内部に向かって方向付けられたＵＴパルスを発生するために変換器を励起し、変換器を受信要素として使用してエコー信号を発生する。ＵＴ検査システム３０は、ＵＴプローブと、少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、変換器要素に信号励起パルスを供給するように構成されたパルサ／受信器３２と、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、ＵＴプローブによって部品を走査するように構成されたスキャナ３４とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、産業用構成部品の超音波浸漬試験方法ならびにシステムに関し、特に、超音波浸漬検査において試験速度を増すために、結合媒体中の未減衰音を減少することに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波試験は、産業用構成部品を試験するのに望ましい検査技法である。しかし、従来の超音波浸漬検査技法の場合、試験されるべき部品に超音波エネルギーを結合するために使用されている結合媒体の中で残響する未減衰音が存在するために、処理能力に限界がある。図１は、超音波浸漬試験の従来のＡ走査（振幅対時間）表示を示す。図１に示されるように、試験領域を越えて、いくつかのエコーが発生しており、それらのエコーは、未減衰音によって起こる。そのため、従来の浸漬超音波走査においては、次の超音波パルスが入射する前にエコーを減衰させるために、２つの超音波パルスの間隔を相対的に長くする必要がある。図２は、第１の超音波パルスが許容レベルまで減衰する前に、第２の超音波パルスが発生した場合の超音波浸漬試験の従来のＡ走査表示を示す。図２に示されるように、エコーは、きず検出の正確さを損なう。一般に、被検体の内部の欠陥が原因となって発生するエコーと、未減衰音により引き起こされるエコーとを識別する方法がないため、未減衰音により発生されるエコーの存在は、欠陥として解釈され、その結果、きずがあるという誤った表示がなされてしまう。未減衰音と関連するエコーの現象は、一般に、「ラップアラウンド」又は「ゴースティング」と呼ばれる。未減衰音と関連する雑音を減少するために、従来の超音波浸漬試験は、例えば、毎秒５００パルス（５００パルス／ｓ）程度の相対的に低いパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で実行される。低いｐｒｆを採用しなければならないため、従来の技法を使用した場合、典型的な航空機エンジン部品の検査に４時間もかかることがある。
【特許文献１】米国特許第６，５９１，６８０号公報
【特許文献２】米国特許第６，７８９，４２７号公報
【特許文献３】米国特許第６，７９２，８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、超音波浸漬試験に際して未減衰音を減少することが望ましいであろう。更に、超音波浸漬検査技法を使用して、産業用構成部品を検査するために必要な時間を短縮することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの面は、部品を検査する方法であり、方法は、物質速度ｃwを有する結合媒体の中に部品を浸漬することと、少なくとも１つの変換器を有する超音波プローブを結合媒体の中に浸漬することとを含む。超音波プローブは、音響速度ｃL及び約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズを有する。方法は、部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生するために変換器を励起することと、変換器を受信要素として使用してエコー信号を発生することとを更に含む。
【０００５】
本発明の別の面は、結合媒体を使用して部品を試験するための超音波検査システムである。超音波検査システムは、超音波プローブを含み、超音波プローブは、（ａ）励起されたとき、結合媒体を通して、部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素と、（ｂ）約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズとを有する。凸レンズは、前記変換器要素の各々に超音波結合される。超音波検査システムは、少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、変換器要素に複数の信号励起パルスを供給するように構成されたパルサ／受信器と、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、超音波プローブによって部品を走査するように構成されたスキャナとを更に含む。
【０００６】
本発明の更に別の面は、物質速度ｃwを有する結合媒体の中で産業用構成部品を浸漬検査するための超音波プローブである。超音波プローブは、励起されたとき、結合媒体を通して、産業用構成部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素を含む。超音波プローブは、約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンス及び少なくとも約４のＦ＃を有する凸レンズを更に含む。凸レンズは、変換器要素の各々に超音波結合される。
【０００７】
本発明の上記の特徴、面及び利点並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、更によく理解されるであろう。図面を通して、同じ図中符号は、同じ部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図３を参照して、本発明の超音波検査システム３０の一実施形態を説明する。図示されるように、超音波検査システム３０は、結合媒体２２を使用して、産業用構成部品１０などの部品１０を試験するように構成される。結合媒体２２の一例は水であり、産業用構成部品１０は、例えば、ファンディスクのような航空機エンジン部品を含む。図示されるように、超音波検査システム３０は、超音波プローブ２０を含む。超音波プローブ２０は、励起されたとき、結合媒体２２を通して、部品１０の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素１２を含む。超音波プローブ２０は、約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する少なくとも１つの凸レンズ１４を更に含む。１Ｒａｙｌは、１立方メートル当たり１ニュートン‐秒（Ｎｓ／ｍ3）に等しい。凸レンズ１４は、各変換器要素に超音波結合される。ここで使用される用語「凸レンズ」は、平凸レンズを含む。
【０００９】
図３の実施形態の場合、パルサ／受信器回路（又は送信器）３２は、少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、変換器要素１２に複数の信号励起パルスを供給するように構成される。スキャナ３４は、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、超音波プローブ２０によって部品１０を走査するように構成される。サンプル走査増分は、０．０２インチである。例えば、図６に示されるように、超音波プローブ２０を部品１０に対していくつかの位置へ移動するために、超音波プローブ２０は、例えば、電気機械スキャナ３４のキャリッジに装着されてもよい。あるいは、スキャナ３４は、固定超音波プローブ２０に対して部品１０を移動するように構成されてもよい。部品の幾何学的形状及び所望の検査方式に応じて、直線走査、円筒形走査又は円形走査のいずれかが採用されればよい。更に、変換器要素１２により発生されるエコー信号は、パルサ／受信器回路（又は受信器）により受信された後、図３に示されるコンピュータ３８、収集ソフトウェア４０及び表示装置４１などの処理モジュール、記憶モジュール及び表示モジュールにより更に処理、格納及び／又は処理されてもよい。図３の実施形態においては、コンピュータ３８は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２を介してパルサ／受信器３２に接続される。
【００１０】
図７及び図８を参照して、本発明の別の実施形態による超音波検査システム５０を説明する。この実施形態においては、超音波プローブは、例えば、図７に示されるようなアレイ２６を形成する複数の変換器要素１２を具備する。凸レンズ１４は、各々の変換器要素を覆うように延出し、パルサ／受信器３２は、各々の変換器要素に別個の励起信号パルスを印加するように構成される。パルサ／受信器３２は、例えば、図８に示されるように、マルチプレクサ４６を介して変換器要素１２に結合されてもよい。例えば、変換器要素がＮ個あり、位相チャネルがＭ個存在する場合、Ｎ個の変換器要素をＭ個のパルサ／受信器回路３２に結合するために、Ｎ×Ｍマルチプレクサ４６が使用されてもよい。この例の場合、Ｍ個のパルサ／受信器回路３２に遅延及び和ビーム整形器４４を接続するために、Ｍ個のＡ／Ｄ変換器４２が使用される。ビーム整形器４４は、コンピュータ３８に接続される。
【００１１】
更に特定された実施形態によれば、凸レンズ１４の音響インピーダンスは、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満である。更に特定すると、凸レンズ１４の音響インピーダンスは、約１．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満である。先に述べた通り、従来の超音波試験技法においては、超音波エネルギーを部品１０に結合するために使用されている結合媒体２２の中で残響する未減衰音が存在するため、通常、長い検査時間が必要である。超音波プローブ２０は、結合媒体２２とのインピーダンス整合を改善することにより、未減衰音を減少するという利点を有する。
【００１２】
一般に、結合媒体２２からの超音波エネルギーを吸収する凸レンズ１４の能力は、主に、凸レンズ１４と結合媒体２２とのインピーダンス整合によって決まる。ここで使用される用語「音響インピーダンス」は、超音波速度と密度の積である。特に、第１の物質と第２の物質との境界面における反射係数Ｒは、次の式により定義される。
【００１３】
Ｒ ＝ （Ｚ2−Ｚ1）／（Ｚ2＋Ｚ1）
式中、Ｚ1は、第１の物質の音響インピーダンスであり、Ｚ2は、第２の物質の音響インピーダンスである。
【００１４】
前述のように、水は、典型的な結合媒体２２である。室温における水の音響インピーダンスは、約１．５×１０6Ｒａｙｌｓである。従来の工業用レンズ材料の典型的な音響インピーダンス値は、約３．０×１０6Ｒａｙｌｓ〜約４．５×１０6Ｒａｙｌｓの範囲である。約４．５×１０6Ｒａｙｌｓの音響インピーダンスを有する従来のレンズ材料の例の場合、反射係数はＲ＝０．５（すなわち、５０％）である。これは、従来の工業用レンズの場合、音圧の５０パーセント（５０％）がレンズの表面から反射されることを意味する。
【００１５】
これに対し、凸レンズ１４の材料の一例は、室温加硫（ＲＴＶ）材料であり、その例には、シリコーンが含まれる。凸レンズ１４のＲＴＶ材料の一例は、約１．３８×１０6Ｒａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、結合媒体２２として水が採用される場合、この値は、Ｒ＝０．０４２（すなわち、４．２％）の反射係数に相当する。レンズと結合媒体の境界面１８における凸レンズ１４による超音波エネルギーの吸収が増すと、その結果、結合媒体２２中に存在する超音波エネルギーは、相応して減少する。このように未減衰音が減少することにより、きず検出を妨げずに、例えば、１，０００Ｈｚ程度の従来より高いｐｒｆの使用が可能になるので、好都合である。図５は、ウォーターパス倍数の減衰が増し、それに対応して、試験速度が速くなることを示す。
【００１６】
図４を参照して、凸レンズ１４の散乱特性を説明する。図４は、従来の工業用凹レンズと、凸レンズ１４との相違を示す。図４に示されるように、従来の凹レンズは、入射音波１６を結合媒体２２に戻し、集束する。その結果、レンズの表面１８で、複数の多重反射が起こる（すなわち、ウォーターパス倍数）。これに対し、凸レンズ１４は、凸レンズ１４の表面１８から反射される複数の音波１６を散乱させるように構成されることが望ましい。音波１６を超音波プローブ２０から離間するように散乱させることにより、凸レンズ１４は、超音波プローブ２０により検出されるウォーターパス倍数の数を更に減少し、それに対応して、試験速度を増すことができる。
【００１７】
超音波エネルギーを散乱させるレンズの能力は、主に、レンズの幾何学的形状によって決まる。凸レンズ１４の第１の機能は、超音波エネルギーを集束することであり、その焦点特性は、所定の試験に合わせてあらかじめ規定されるため、レンズと結合媒体の境界面１８における散乱を強化するために、レンズの幾何学的形状を任意に変更することは不可能である。しかし、凸レンズ１４の音響速度ｃLは、所望の焦点特性と散乱特性を同時に実現するための補助手段となる。特に、ある特定の焦点特性を得るために使用されるレンズの幾何学的形状は、レンズ材料の音響速度ｃLによって決まり、レンズメーカーの下記の式により決定される。
【００１８】
ｒ ＝ ｆ（１―ｃw／ｃL）
式中、ｒは、レンズの曲率半径であり、ｆは、所望の焦点距離である。前述のように、ｃwは、結合媒体２２の音響速度であり、ｃLは、レンズ材料の音響速度である。工業用浸漬検査に使用される従来のレンズの場合、典型的なレンズ材料の音響速度ｃLは、毎秒３キロメートル（３．０ｋｍ／ｓ）である。結合媒体２２として水が使用される場合（ｃw＝１．５ｋｍ／ｓ）、この例の従来のレンズでは、レンズの式は、ｒ＝０．５ｆとなる。曲率半径ｒと焦点距離ｆの関係は正であるので、この例の従来のレンズは凹レンズである。
【００１９】
逆に、凸レンズ１４は、結合媒体２２の物質速度ｃwより遅い音響速度ｃLを有するのが望ましい。例えば、ＲＴＶ材料の一例は、毎秒約１キロメートル（１．０ｋｍ／ｓ）の音響速度ｃLを有する。この例のＲＴＶ材料の場合、レンズの式はｒ＝−０．５ｆになるので、負の符号は、レンズが凸レンズであることを示す。図４に示されるように、特に、変換器と部品との距離がレンズ半径に等しいときに、凹形状は、結合媒体２２の中で超音波エネルギーを集束しようとするという点で、従来の凹形状から凸形状へのこの変化は、重大な意味を持つ。凹レンズとは対照的に、凸レンズ１４の凸形状は、変換器の側面へ音を散乱させ、それにより、結合媒体２２の中の音の残響の振幅を減少する。先に図５を参照して説明したように、ウォーターパス倍数の減衰を大きくすることにより、きず検出を損なわずに、試験速度を増すことができる。従って、更に特定された実施形態の場合、パルサ／受信器３２は、少なくとも約１，５００Ｈｚ、５，０００Ｈｚ又は１０，０００Ｈｚのｐｒｆで、変換器要素１２に信号励起パルスを供給するように構成される。ｐｒｆが増加すると、検査時間は短縮され、検査処理能力が向上するため、好都合である。
【００２０】
工業用超音波検査の場合の焦点形状は、通常、医療用途の場合とは異なる。特に、工業用試験の場合の焦点特性は、固体の（すなわち、液体ではない）被検体を目標とし、医療用超音波検査においては存在しない２層の関心物体（例えば、金属／水境界面）に対応するように選択される。所望の特定の焦点特性は、実施されるべき試験に基づいて変わることもあるが、通常、医療用途では、約１．５のＦ＃が要求される。ここで使用される用語Ｆ＃は、焦点距離を変換器の開口幅で除算した値に等しい。これに対し、検査システム３０の特定の一実施形態においては、凸レンズ１４は、少なくとも約４のＦ＃を有する。更に特定された実施形態によれば、凸レンズ１４は、少なくとも約８のＦ＃を有する。
【００２１】
プローブは、１つの変換器要素を含んでもよいし、あるいは変換器要素の線状アレイ（図示せず）、又は、例えば、図７に示されるような変換器要素の２次元アレイを含んでもよい。パルサ／受信器３２は、各々の変換器要素１２に別個の励起信号パルスを印加するように構成される。図７の実施形態の場合、超音波プローブ２０は、アレイ２６を形成する複数の変換器要素１２と、各々の変換器要素１２を覆うように延出する１つの凸レンズ１４とを含む。パルサ／受信器３２は、各々の変換器要素１２に別個の励起信号パルスを印加するように構成される。特定の一実施形態によれば、アレイ２６は、フェイズドアレイ２６である。
【００２２】
図３を参照して、物質速度ｃwを有する結合媒体２２の中で産業用構成部品１０を浸漬検査するための本発明の一実施形態による超音波プローブ２０を説明する。図３に示されるように、超音波プローブ２０は、励起されたとき、結合媒体２２を通して、産業用構成部品１０の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素１２を含む。超音波プローブ２０は、少なくとも約２．５×１０10Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンス及び少なくとも約４のＦ＃を有する少なくとも１つの凸レンズ１４を更に含む。凸レンズ１４は、各々の変換器要素１２に超音波結合される。
【００２３】
特定の一実施形態によれば、凸レンズ１４のＦ＃は、少なくとも約８である。更に特定された実施形態によれば、凸レンズ１４の音響インピーダンスは、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満であり、更に特定すれば、約１．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満である。例えば、図４に示されるように、凸レンズ１４が、凸レンズ１４の表面１８から反射される音波１６を散乱させるように、凸レンズ１４の音響速度ｃLは、結合媒体２２の物質速度ｃwより遅いことが望ましい。
【００２４】
先に図７を参照して説明したように、超音波プローブ２０は、単一の変換器要素を含んでもよいし、あるいは変換器要素の線状アレイ（図示せず）、又は、例えば、図７に示されるような変換器要素の２次元アレイを含んでもよい。
【００２５】
図３〜図６を参照して、本発明の方法の一実施形態を説明する。例えば、図３及び図６に示されるように、検査方法は、物質速度ｃwを有する結合媒体２２の中に部品１０を浸漬することと、結合媒体の中に超音波プローブ２０を浸漬することとを含む。前述のように、超音波プローブ２０は、変換器１２と、約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズ１４とを含む。結合を更に強化するために、特定の実施形態においては、凸レンズ１４の音響インピーダンスは、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満であり、更に特定すれば、約１．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満である。検査方法は、部品１０の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生するために変換器１２を励起することと、変換器１２を受信要素１２として使用して複数のエコー信号を発生することとを更に含む。特定の一実施形態によれば、少なくとも約１，０００Ｈｚ、更に特定すれば、所望の検査処理速度に応じて、少なくとも約１，５００Ｈｚ、５，０００Ｈｚ及び１０，０００Ｈｚのｐｒｆで、変換器に励起信号パルスを印加することにより、変換器１２は励起される。凸レンズ１４と結合媒体２２の結合が改善されるため、例えば、図５に示されるように、きず検査を損なわずに、このような高いｐｒｆを実現できる。
【００２６】
例えば、図６に示されるように、検査方法は、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、超音波プローブ２０によって部品１０を走査することと、複数の測定位置２４の各々において、励起する工程及び発生する工程を実行することとを更に含む。前述のように、典型的な走査増分の１つは、約０．０２インチである。図３の実施形態の場合、走査は、スキャナ３４を使用して実行される。スキャナ３４は、コンピュータ３８により制御されてもよい。図３は、部品１０に対してプローブ２０を移動するように構成されたスキャナ３４を示すが、スキャナは、固定プローブに対して部品を移動するように構成されてもよく、検査方法は、それら２つの構成に対応する。
【００２７】
例えば、図４に示されるように、検査方法は、凸レンズ１４の表面１８から反射された複数の音波１６を散乱させることを更に含む。表面１８から反射された音波を散乱させるために、凸レンズ１４の材料は、先に説明したように、凸レンズの音響速度ｃLが結合媒体２２の物質速度ｃwより遅くなるように選択される。
【００２８】
特定の一実施形態によれば、超音波プローブ２０は、例えば、図７に示されるようなアレイ２６を形成する複数の変換器１２を含む。アレイは、線状アレイであってもよい。この実施形態の場合、各々の変換器が励起され、変換器１２を受信要素として使用して、複数のエコー信号が発生される。更に特定された実施形態によれば、少なくとも約１，０００Ｈｚのｐｒｆ、更に特定すれば、少なくとも約１，５００Ｈｚ、５，０００Ｈｚ及び１０，０００Ｈｚのｐｒｆで、各々の変換器１２に別個の励起信号パルスが印加される。一般に、同じ１つの変換器及びアレイの実施形態には、同一のｐｒｆ範囲が採用される。
【００２９】
産業用構成部品１０を試験するための超音波検査方法の一例は、産業用構成部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生するために、超音波プローブ２０の少なくとも１つの変換器要素１２を励起することを含む。例えば、図３に示されるように、超音波プローブ及び産業用構成部品は、物質速度ｃwを有する結合媒体２２によって満たされたスタンドオフにより互いに分離される。超音波検査方法は、約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満、更に特定すれば、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有するレンズ１４を使用して、少なくとも１つの変換器要素１２と結合媒体２２の結合を強化することを更に含む。超音波検査方法は、凸レンズ１４を使用することにより、レンズの表面１８から反射された複数の音波１６を散乱させることと、少なくとも１つの変換器１２を受信要素１２として使用して、複数のエコー信号を発生することを更に含む。特定の一実施形態によれば、少なくとも１つの変換器１２は、少なくとも約１，５００Ｈｚのｐｒｆで、少なくとも１つの変換器１２に励起信号パルスを印加することにより励起される。図３の実施形態の場合、超音波検査方法は、超音波プローブ２０及び産業用構成部品１０を結合媒体２２の中に浸漬することを更に含む。
【００３０】
図６の実施形態においては、超音波検査方法は、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、超音波プローブ２０によって産業用構成部品１０を走査することを更に含む。超音波プローブの複数の測定位置２４の各々において、励起する工程、強化する工程、散乱させる工程及び発生する工程が実行される。
【００３１】
先に図７を参照して説明したように、超音波プローブ２０は、単一の変換器要素を含んでもよいし、あるいは変換器の線状アレイ、又は、例えば図７に示されるような変換器の２次元アレイを含んでもよい。特定の一実施形態によれば、超音波プローブ２０は、アレイ２６を形成する複数の変換器１２を含む。この特定の実施形態の場合、各々の変換器１２が励起され、変換器を受信要素として使用して、複数のエコー信号が発生される。更に特定された実施形態においては、各々の変換器１２に別個の励起信号パルスが印加される。
【００３２】
本発明のいくつかの特徴のみを図示し、説明したが、数多くの変形及び変更が当業者には明らかであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内に入るそのような変形及び変更の全てを含むことが意図されると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】超音波浸漬試験の従来のＡ走査（振幅対時間）表示を示したグラフである。
【図２】第１の超音波パルスからのエコーが許容レベルまで減衰する前に第２の超音波パルスが起こった場合の超音波浸漬試験の従来のＡ走査表示を示したグラフである。
【図３】本発明の超音波検査システムの一実施形態を示した図である。
【図４】従来の凹レンズと比較した場合の凸レンズの散乱特性を示した図である。
【図５】図３の検査システムを使用する超音波浸漬試験のＡ走査表示の一例を示し、ウォーターパス倍数の減衰が大きくなり、それに相応して試験速度が増すことを示したグラフである。
【図６】複数の測定位置の例を示した図である。
【図７】単一の凸レンズを有する超音波変換器の２次元フェイズドアレイを概略的に示した図である。
【図８】本発明の超音波検査システムの別の実施形態を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…産業用構成部品、１２…変換器要素、１４…凸レンズ、１６…音波、１８…レンズの表面、２０…超音波プローブ、２２…結合媒体、２４…測定位置、２６…アレイ、３０…超音波検査システム、３２…パルサ／受信器回路、３４…スキャナ、３８…コンピュータ、４０…収集ソフトウェア、４１…表示装置、４２…アナログ／デジタル変換器、４４…遅延及び和ビーム整形器、４６…マルチプレクサ、５０…超音波検査システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、産業用構成部品の超音波浸漬試験方法ならびにシステムに関し、特に、超音波浸漬検査において試験速度を増すために、結合媒体中の未減衰音を減少することに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波試験は、産業用構成部品を試験するのに望ましい検査技法である。しかし、従来の超音波浸漬検査技法の場合、試験されるべき部品に超音波エネルギーを結合するために使用されている結合媒体の中で残響する未減衰音が存在するために、処理能力に限界がある。図１は、超音波浸漬試験の従来のＡ走査（振幅対時間）表示を示す。図１に示されるように、試験領域を越えて、いくつかのエコーが発生しており、それらのエコーは、未減衰音によって起こる。そのため、従来の浸漬超音波走査においては、次の超音波パルスが入射する前にエコーを減衰させるために、２つの超音波パルスの間隔を相対的に長くする必要がある。図２は、第１の超音波パルスが許容レベルまで減衰する前に、第２の超音波パルスが発生した場合の超音波浸漬試験の従来のＡ走査表示を示す。図２に示されるように、エコーは、きず検出の正確さを損なう。一般に、被検体の内部の欠陥が原因となって発生するエコーと、未減衰音により引き起こされるエコーとを識別する方法がないため、未減衰音により発生されるエコーの存在は、欠陥として解釈され、その結果、きずがあるという誤った表示がなされてしまう。未減衰音と関連するエコーの現象は、一般に、「ラップアラウンド」又は「ゴースティング」と呼ばれる。未減衰音と関連する雑音を減少するために、従来の超音波浸漬試験は、例えば、毎秒５００パルス（５００パルス／ｓ）程度の相対的に低いパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で実行される。低いｐｒｆを採用しなければならないため、従来の技法を使用した場合、典型的な航空機エンジン部品の検査に４時間もかかることがある。
【特許文献１】米国特許第６，５９１，６８０号公報
【特許文献２】米国特許第６，７８９，４２７号公報
【特許文献３】米国特許第６，７９２，８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、超音波浸漬試験に際して未減衰音を減少することが望ましいであろう。更に、超音波浸漬検査技法を使用して、産業用構成部品を検査するために必要な時間を短縮することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの面は、部品を検査する方法であり、方法は、物質速度ｃwを有する結合媒体の中に部品を浸漬することと、少なくとも１つの変換器を有する超音波プローブを結合媒体の中に浸漬することとを含む。超音波プローブは、音響速度ｃL及び約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズを有する。方法は、部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生するために変換器を励起することと、変換器を受信要素として使用してエコー信号を発生することとを更に含む。
【０００５】
本発明の別の面は、結合媒体を使用して部品を試験するための超音波検査システムである。超音波検査システムは、超音波プローブを含み、超音波プローブは、（ａ）励起されたとき、結合媒体を通して、部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素と、（ｂ）約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズとを有する。凸レンズは、前記変換器要素の各々に超音波結合される。超音波検査システムは、少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、変換器要素に複数の信号励起パルスを供給するように構成されたパルサ／受信器と、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、超音波プローブによって部品を走査するように構成されたスキャナとを更に含む。
【０００６】
本発明の更に別の面は、物質速度ｃwを有する結合媒体の中で産業用構成部品を浸漬検査するための超音波プローブである。超音波プローブは、励起されたとき、結合媒体を通して、産業用構成部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素を含む。超音波プローブは、約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンス及び少なくとも約４のＦ＃を有する凸レンズを更に含む。凸レンズは、変換器要素の各々に超音波結合される。
【０００７】
本発明の上記の特徴、面及び利点並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、更によく理解されるであろう。図面を通して、同じ図中符号は、同じ部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図３を参照して、本発明の超音波検査システム３０の一実施形態を説明する。図示されるように、超音波検査システム３０は、結合媒体２２を使用して、産業用構成部品１０などの部品１０を試験するように構成される。結合媒体２２の一例は水であり、産業用構成部品１０は、例えば、ファンディスクのような航空機エンジン部品を含む。図示されるように、超音波検査システム３０は、超音波プローブ２０を含む。超音波プローブ２０は、励起されたとき、結合媒体２２を通して、部品１０の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素１２を含む。超音波プローブ２０は、約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する少なくとも１つの凸レンズ１４を更に含む。１Ｒａｙｌは、１立方メートル当たり１ニュートン‐秒（Ｎｓ／ｍ3）に等しい。凸レンズ１４は、各変換器要素に超音波結合される。ここで使用される用語「凸レンズ」は、平凸レンズを含む。
【０００９】
図３の実施形態の場合、パルサ／受信器回路（又は送信器）３２は、少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、変換器要素１２に複数の信号励起パルスを供給するように構成される。スキャナ３４は、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、超音波プローブ２０によって部品１０を走査するように構成される。サンプル走査増分は、０．０２インチである。例えば、図６に示されるように、超音波プローブ２０を部品１０に対していくつかの位置へ移動するために、超音波プローブ２０は、例えば、電気機械スキャナ３４のキャリッジに装着されてもよい。あるいは、スキャナ３４は、固定超音波プローブ２０に対して部品１０を移動するように構成されてもよい。部品の幾何学的形状及び所望の検査方式に応じて、直線走査、円筒形走査又は円形走査のいずれかが採用されればよい。更に、変換器要素１２により発生されるエコー信号は、パルサ／受信器回路（又は受信器）により受信された後、図３に示されるコンピュータ３８、収集ソフトウェア４０及び表示装置４１などの処理モジュール、記憶モジュール及び表示モジュールにより更に処理、格納及び／又は処理されてもよい。図３の実施形態においては、コンピュータ３８は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２を介してパルサ／受信器３２に接続される。
【００１０】
図７及び図８を参照して、本発明の別の実施形態による超音波検査システム５０を説明する。この実施形態においては、超音波プローブは、例えば、図７に示されるようなアレイ２６を形成する複数の変換器要素１２を具備する。凸レンズ１４は、各々の変換器要素を覆うように延出し、パルサ／受信器３２は、各々の変換器要素に別個の励起信号パルスを印加するように構成される。パルサ／受信器３２は、例えば、図８に示されるように、マルチプレクサ４６を介して変換器要素１２に結合されてもよい。例えば、変換器要素がＮ個あり、位相チャネルがＭ個存在する場合、Ｎ個の変換器要素をＭ個のパルサ／受信器回路３２に結合するために、Ｎ×Ｍマルチプレクサ４６が使用されてもよい。この例の場合、Ｍ個のパルサ／受信器回路３２に遅延及び和ビーム整形器４４を接続するために、Ｍ個のＡ／Ｄ変換器４２が使用される。ビーム整形器４４は、コンピュータ３８に接続される。
【００１１】
更に特定された実施形態によれば、凸レンズ１４の音響インピーダンスは、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満である。更に特定すると、凸レンズ１４の音響インピーダンスは、約１．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満である。先に述べた通り、従来の超音波試験技法においては、超音波エネルギーを部品１０に結合するために使用されている結合媒体２２の中で残響する未減衰音が存在するため、通常、長い検査時間が必要である。超音波プローブ２０は、結合媒体２２とのインピーダンス整合を改善することにより、未減衰音を減少するという利点を有する。
【００１２】
一般に、結合媒体２２からの超音波エネルギーを吸収する凸レンズ１４の能力は、主に、凸レンズ１４と結合媒体２２とのインピーダンス整合によって決まる。ここで使用される用語「音響インピーダンス」は、超音波速度と密度の積である。特に、第１の物質と第２の物質との境界面における反射係数Ｒは、次の式により定義される。
【００１３】
Ｒ ＝ （Ｚ2−Ｚ1）／（Ｚ2＋Ｚ1）
式中、Ｚ1は、第１の物質の音響インピーダンスであり、Ｚ2は、第２の物質の音響インピーダンスである。
【００１４】
前述のように、水は、典型的な結合媒体２２である。室温における水の音響インピーダンスは、約１．５×１０6Ｒａｙｌｓである。従来の工業用レンズ材料の典型的な音響インピーダンス値は、約３．０×１０6Ｒａｙｌｓ〜約４．５×１０6Ｒａｙｌｓの範囲である。約４．５×１０6Ｒａｙｌｓの音響インピーダンスを有する従来のレンズ材料の例の場合、反射係数はＲ＝０．５（すなわち、５０％）である。これは、従来の工業用レンズの場合、音圧の５０パーセント（５０％）がレンズの表面から反射されることを意味する。
【００１５】
これに対し、凸レンズ１４の材料の一例は、室温加硫（ＲＴＶ）材料であり、その例には、シリコーンが含まれる。凸レンズ１４のＲＴＶ材料の一例は、約１．３８×１０6Ｒａｙｌｓの音響インピーダンスを有し、結合媒体２２として水が採用される場合、この値は、Ｒ＝０．０４２（すなわち、４．２％）の反射係数に相当する。レンズと結合媒体の境界面１８における凸レンズ１４による超音波エネルギーの吸収が増すと、その結果、結合媒体２２中に存在する超音波エネルギーは、相応して減少する。このように未減衰音が減少することにより、きず検出を妨げずに、例えば、１，０００Ｈｚ程度の従来より高いｐｒｆの使用が可能になるので、好都合である。図５は、ウォーターパス倍数の減衰が増し、それに対応して、試験速度が速くなることを示す。
【００１６】
図４を参照して、凸レンズ１４の散乱特性を説明する。図４は、従来の工業用凹レンズと、凸レンズ１４との相違を示す。図４に示されるように、従来の凹レンズは、入射音波１６を結合媒体２２に戻し、集束する。その結果、レンズの表面１８で、複数の多重反射が起こる（すなわち、ウォーターパス倍数）。これに対し、凸レンズ１４は、凸レンズ１４の表面１８から反射される複数の音波１６を散乱させるように構成されることが望ましい。音波１６を超音波プローブ２０から離間するように散乱させることにより、凸レンズ１４は、超音波プローブ２０により検出されるウォーターパス倍数の数を更に減少し、それに対応して、試験速度を増すことができる。
【００１７】
超音波エネルギーを散乱させるレンズの能力は、主に、レンズの幾何学的形状によって決まる。凸レンズ１４の第１の機能は、超音波エネルギーを集束することであり、その焦点特性は、所定の試験に合わせてあらかじめ規定されるため、レンズと結合媒体の境界面１８における散乱を強化するために、レンズの幾何学的形状を任意に変更することは不可能である。しかし、凸レンズ１４の音響速度ｃLは、所望の焦点特性と散乱特性を同時に実現するための補助手段となる。特に、ある特定の焦点特性を得るために使用されるレンズの幾何学的形状は、レンズ材料の音響速度ｃLによって決まり、レンズメーカーの下記の式により決定される。
【００１８】
ｒ ＝ ｆ（１―ｃw／ｃL）
式中、ｒは、レンズの曲率半径であり、ｆは、所望の焦点距離である。前述のように、ｃwは、結合媒体２２の音響速度であり、ｃLは、レンズ材料の音響速度である。工業用浸漬検査に使用される従来のレンズの場合、典型的なレンズ材料の音響速度ｃLは、毎秒３キロメートル（３．０ｋｍ／ｓ）である。結合媒体２２として水が使用される場合（ｃw＝１．５ｋｍ／ｓ）、この例の従来のレンズでは、レンズの式は、ｒ＝０．５ｆとなる。曲率半径ｒと焦点距離ｆの関係は正であるので、この例の従来のレンズは凹レンズである。
【００１９】
逆に、凸レンズ１４は、結合媒体２２の物質速度ｃwより遅い音響速度ｃLを有するのが望ましい。例えば、ＲＴＶ材料の一例は、毎秒約１キロメートル（１．０ｋｍ／ｓ）の音響速度ｃLを有する。この例のＲＴＶ材料の場合、レンズの式はｒ＝−０．５ｆになるので、負の符号は、レンズが凸レンズであることを示す。図４に示されるように、特に、変換器と部品との距離がレンズ半径に等しいときに、凹形状は、結合媒体２２の中で超音波エネルギーを集束しようとするという点で、従来の凹形状から凸形状へのこの変化は、重大な意味を持つ。凹レンズとは対照的に、凸レンズ１４の凸形状は、変換器の側面へ音を散乱させ、それにより、結合媒体２２の中の音の残響の振幅を減少する。先に図５を参照して説明したように、ウォーターパス倍数の減衰を大きくすることにより、きず検出を損なわずに、試験速度を増すことができる。従って、更に特定された実施形態の場合、パルサ／受信器３２は、少なくとも約１，５００Ｈｚ、５，０００Ｈｚ又は１０，０００Ｈｚのｐｒｆで、変換器要素１２に信号励起パルスを供給するように構成される。ｐｒｆが増加すると、検査時間は短縮され、検査処理能力が向上するため、好都合である。
【００２０】
工業用超音波検査の場合の焦点形状は、通常、医療用途の場合とは異なる。特に、工業用試験の場合の焦点特性は、固体の（すなわち、液体ではない）被検体を目標とし、医療用超音波検査においては存在しない２層の関心物体（例えば、金属／水境界面）に対応するように選択される。所望の特定の焦点特性は、実施されるべき試験に基づいて変わることもあるが、通常、医療用途では、約１．５のＦ＃が要求される。ここで使用される用語Ｆ＃は、焦点距離を変換器の開口幅で除算した値に等しい。これに対し、検査システム３０の特定の一実施形態においては、凸レンズ１４は、少なくとも約４のＦ＃を有する。更に特定された実施形態によれば、凸レンズ１４は、少なくとも約８のＦ＃を有する。
【００２１】
プローブは、１つの変換器要素を含んでもよいし、あるいは変換器要素の線状アレイ（図示せず）、又は、例えば、図７に示されるような変換器要素の２次元アレイを含んでもよい。パルサ／受信器３２は、各々の変換器要素１２に別個の励起信号パルスを印加するように構成される。図７の実施形態の場合、超音波プローブ２０は、アレイ２６を形成する複数の変換器要素１２と、各々の変換器要素１２を覆うように延出する１つの凸レンズ１４とを含む。パルサ／受信器３２は、各々の変換器要素１２に別個の励起信号パルスを印加するように構成される。特定の一実施形態によれば、アレイ２６は、フェイズドアレイ２６である。
【００２２】
図３を参照して、物質速度ｃwを有する結合媒体２２の中で産業用構成部品１０を浸漬検査するための本発明の一実施形態による超音波プローブ２０を説明する。図３に示されるように、超音波プローブ２０は、励起されたとき、結合媒体２２を通して、産業用構成部品１０の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素１２を含む。超音波プローブ２０は、少なくとも約２．５×１０10Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンス及び少なくとも約４のＦ＃を有する少なくとも１つの凸レンズ１４を更に含む。凸レンズ１４は、各々の変換器要素１２に超音波結合される。
【００２３】
特定の一実施形態によれば、凸レンズ１４のＦ＃は、少なくとも約８である。更に特定された実施形態によれば、凸レンズ１４の音響インピーダンスは、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満であり、更に特定すれば、約１．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満である。例えば、図４に示されるように、凸レンズ１４が、凸レンズ１４の表面１８から反射される音波１６を散乱させるように、凸レンズ１４の音響速度ｃLは、結合媒体２２の物質速度ｃwより遅いことが望ましい。
【００２４】
先に図７を参照して説明したように、超音波プローブ２０は、単一の変換器要素を含んでもよいし、あるいは変換器要素の線状アレイ（図示せず）、又は、例えば、図７に示されるような変換器要素の２次元アレイを含んでもよい。
【００２５】
図３〜図６を参照して、本発明の方法の一実施形態を説明する。例えば、図３及び図６に示されるように、検査方法は、物質速度ｃwを有する結合媒体２２の中に部品１０を浸漬することと、結合媒体の中に超音波プローブ２０を浸漬することとを含む。前述のように、超音波プローブ２０は、変換器１２と、約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズ１４とを含む。結合を更に強化するために、特定の実施形態においては、凸レンズ１４の音響インピーダンスは、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満であり、更に特定すれば、約１．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満である。検査方法は、部品１０の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生するために変換器１２を励起することと、変換器１２を受信要素１２として使用して複数のエコー信号を発生することとを更に含む。特定の一実施形態によれば、少なくとも約１，０００Ｈｚ、更に特定すれば、所望の検査処理速度に応じて、少なくとも約１，５００Ｈｚ、５，０００Ｈｚ及び１０，０００Ｈｚのｐｒｆで、変換器に励起信号パルスを印加することにより、変換器１２は励起される。凸レンズ１４と結合媒体２２の結合が改善されるため、例えば、図５に示されるように、きず検査を損なわずに、このような高いｐｒｆを実現できる。
【００２６】
例えば、図６に示されるように、検査方法は、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、超音波プローブ２０によって部品１０を走査することと、複数の測定位置２４の各々において、励起する工程及び発生する工程を実行することとを更に含む。前述のように、典型的な走査増分の１つは、約０．０２インチである。図３の実施形態の場合、走査は、スキャナ３４を使用して実行される。スキャナ３４は、コンピュータ３８により制御されてもよい。図３は、部品１０に対してプローブ２０を移動するように構成されたスキャナ３４を示すが、スキャナは、固定プローブに対して部品を移動するように構成されてもよく、検査方法は、それら２つの構成に対応する。
【００２７】
例えば、図４に示されるように、検査方法は、凸レンズ１４の表面１８から反射された複数の音波１６を散乱させることを更に含む。表面１８から反射された音波を散乱させるために、凸レンズ１４の材料は、先に説明したように、凸レンズの音響速度ｃLが結合媒体２２の物質速度ｃwより遅くなるように選択される。
【００２８】
特定の一実施形態によれば、超音波プローブ２０は、例えば、図７に示されるようなアレイ２６を形成する複数の変換器１２を含む。アレイは、線状アレイであってもよい。この実施形態の場合、各々の変換器が励起され、変換器１２を受信要素として使用して、複数のエコー信号が発生される。更に特定された実施形態によれば、少なくとも約１，０００Ｈｚのｐｒｆ、更に特定すれば、少なくとも約１，５００Ｈｚ、５，０００Ｈｚ及び１０，０００Ｈｚのｐｒｆで、各々の変換器１２に別個の励起信号パルスが印加される。一般に、同じ１つの変換器及びアレイの実施形態には、同一のｐｒｆ範囲が採用される。
【００２９】
産業用構成部品１０を試験するための超音波検査方法の一例は、産業用構成部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生するために、超音波プローブ２０の少なくとも１つの変換器要素１２を励起することを含む。例えば、図３に示されるように、超音波プローブ及び産業用構成部品は、物質速度ｃwを有する結合媒体２２によって満たされたスタンドオフにより互いに分離される。超音波検査方法は、約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満、更に特定すれば、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有するレンズ１４を使用して、少なくとも１つの変換器要素１２と結合媒体２２の結合を強化することを更に含む。超音波検査方法は、凸レンズ１４を使用することにより、レンズの表面１８から反射された複数の音波１６を散乱させることと、少なくとも１つの変換器１２を受信要素１２として使用して、複数のエコー信号を発生することを更に含む。特定の一実施形態によれば、少なくとも１つの変換器１２は、少なくとも約１，５００Ｈｚのｐｒｆで、少なくとも１つの変換器１２に励起信号パルスを印加することにより励起される。図３の実施形態の場合、超音波検査方法は、超音波プローブ２０及び産業用構成部品１０を結合媒体２２の中に浸漬することを更に含む。
【００３０】
図６の実施形態においては、超音波検査方法は、ｐｒｆに走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、超音波プローブ２０によって産業用構成部品１０を走査することを更に含む。超音波プローブの複数の測定位置２４の各々において、励起する工程、強化する工程、散乱させる工程及び発生する工程が実行される。
【００３１】
先に図７を参照して説明したように、超音波プローブ２０は、単一の変換器要素を含んでもよいし、あるいは変換器の線状アレイ、又は、例えば図７に示されるような変換器の２次元アレイを含んでもよい。特定の一実施形態によれば、超音波プローブ２０は、アレイ２６を形成する複数の変換器１２を含む。この特定の実施形態の場合、各々の変換器１２が励起され、変換器を受信要素として使用して、複数のエコー信号が発生される。更に特定された実施形態においては、各々の変換器１２に別個の励起信号パルスが印加される。
【００３２】
本発明のいくつかの特徴のみを図示し、説明したが、数多くの変形及び変更が当業者には明らかであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内に入るそのような変形及び変更の全てを含むことが意図されると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】超音波浸漬試験の従来のＡ走査（振幅対時間）表示を示したグラフである。
【図２】第１の超音波パルスからのエコーが許容レベルまで減衰する前に第２の超音波パルスが起こった場合の超音波浸漬試験の従来のＡ走査表示を示したグラフである。
【図３】本発明の超音波検査システムの一実施形態を示した図である。
【図４】従来の凹レンズと比較した場合の凸レンズの散乱特性を示した図である。
【図５】図３の検査システムを使用する超音波浸漬試験のＡ走査表示の一例を示し、ウォーターパス倍数の減衰が大きくなり、それに相応して試験速度が増すことを示したグラフである。
【図６】複数の測定位置の例を示した図である。
【図７】単一の凸レンズを有する超音波変換器の２次元フェイズドアレイを概略的に示した図である。
【図８】本発明の超音波検査システムの別の実施形態を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…産業用構成部品、１２…変換器要素、１４…凸レンズ、１６…音波、１８…レンズの表面、２０…超音波プローブ、２２…結合媒体、２４…測定位置、２６…アレイ、３０…超音波検査システム、３２…パルサ／受信器回路、３４…スキャナ、３８…コンピュータ、４０…収集ソフトウェア、４１…表示装置、４２…アナログ／デジタル変換器、４４…遅延及び和ビーム整形器、４６…マルチプレクサ、５０…超音波検査システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部品（１０）を検査する方法において、
物質速度ｃwの結合媒体（２２）の中に前記部品を浸漬する工程と；
少なくとも１つの変換器（１２）と、音響速度ｃL及び約２．５×１０Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズ（１４）とを有する超音波プローブ（２０）を前記結合媒体の中に浸漬する工程と；
前記部品内に方向付けられた超音波パルスを発生するための前記少なくとも１つの変換器を励起する工程と；
前記少なくとも１つの変換器を受信要素（１２）として使用して、複数のエコー信号を発生する工程とを具備する検査方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの変換器（１２）を励起する工程は、少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、前記少なくとも１つの変換器に励起信号パルスを印加する工程を含み、
前記検査方法は、前記パルス繰り返し周波数に走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、前記超音波プローブ（２０）によって前記部品（１０）を走査する工程を更に含み、前記励起する工程及び前記発生する工程は、前記超音波プローブの複数の測定位置（２４）の各々において実行されることを特徴とする請求項１記載の検査方法。
【請求項３】
前記パルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）は、少なくとも約５，０００Ｈｚであることを特徴とする請求項２記載の検査方法。
【請求項４】
前記凸レンズの表面（１８）から反射される複数の音波（１６）を散乱させる工程を更に含み、
前記凸レンズ（１４）の前記音響速度ｃLは、前記結合媒体（２２）の前記物質速度ｃwより遅いことを特徴とする請求項１記載の検査方法。
【請求項５】
前記超音波プローブ（２０）は、アレイ（２６）を形成する複数の変換器（１２）を具備し、前記励起する工程は、前記変換器の各々を励起する工程を含み、前記発生する工程は、前記変換器を受信要素として使用して、複数のエコー信号を発生する工程を含み、前記励起する工程は、前記変換器の各々に別個の励起信号パルスを印加する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の検査方法。
【請求項６】
産業用構成部品（１０）を試験するための超音波検査方法において、
前記産業用構成部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生するために、超音波プローブ（２０）の少なくとも１つの変換器要素（１２）を励起する工程であって、前記超音波プローブ及び前記産業用構成部品は、物質速度ｃwを有する結合媒体（２２）によって満たされたスタンドオフにより分離され、前記少なくとも１つの変換器要素を励起する工程は、少なくとも約１，５００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、前記少なくとも１つの変換器要素に励起信号パルスを印加する工程を含む、励起する工程と；
約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有するレンズ（１４）を使用して、前記少なくとも１つの変換器要素と前記結合媒体の結合を強化する工程と；
凸レンズ（１４）を使用して前記レンズの表面（１８）から反射される複数の音波（１６）を散乱させる工程と；
前記少なくとも１つの変換器要素を受信要素（１２）として使用して、複数のエコー信号を発生する工程と；
前記パルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）に走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、前記超音波プローブによって前記産業用構成部品を走査する工程であって、前記励起する工程、強化する工程、散乱させる工程及び発生する工程は、前記超音波プローブの複数の測定位置（２４）の各々において実行される、走査する工程と；
前記超音波プローブ及び前記産業用構成部品を前記結合媒体の中に浸漬する工程とを具備する超音波検査方法。
【請求項７】
結合媒体（２２）を使用して部品（１０）を試験するための超音波検査システム（３０、５０）において、
超音波プローブ（２０）であって、
（ａ）励起されたとき、前記結合媒体を通して、前記部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素（１２）と、
（ｂ）約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有し、前記変換器要素の各々に超音波結合された凸レンズ（１４）とを具備する超音波プローブと；
少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、前記少なくとも１つの変換器要素に複数の信号励起パルスを供給するように構成されたパルサ／受信器（３２）と；
前記パルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）に走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、前記超音波プローブによって前記部品を走査するように構成されたスキャナ（３４）とを具備する超音波検査システム（３０、５０）。
【請求項８】
前記凸レンズ（１４）の音響インピーダンスは、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満であり、
前記凸レンズは、前記凸レンズの表面（１８）から反射された複数の音波（１６）を散乱させるように構成され、
前記凸レンズは、前記結合媒体（２２）の物質速度ｃwより遅い音響速度ｃLを有し、
前記パルサ／受信器（３２）は、少なくとも約１，５００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、前記少なくとも１つの変換器要素（１２）に信号励起パルスを供給するように構成され、
前記凸レンズは、少なくとも約４のＦ＃を有することを特徴とする請求項７記載の超音波検査システム（３０、５０）。
【請求項９】
前記超音波プローブは、アレイ（２６）を形成する複数の変換器要素（１２）を具備し、前記凸レンズ（１４）は、前記変換器要素の各々を覆うように延出し、前記パルサ／受信器（３２）は、前記変換器要素の各々に別個の励起信号パルスを印加するように構成され、前記アレイ（２６）は、フェイズドアレイ（２６）であることを特徴とする請求項７記載の超音波検査システム（３０、５０）。
【請求項１０】
物質速度ｃwを有する結合媒体（２２）の中で産業用構成部品（１０）を浸漬検査するための超音波プローブ（２０）において、
励起されたとき、前記結合媒体を通して、前記産業用構成部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素（１２）と；
約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンス及び少なくとも約４のＦ＃を有し、前記変換器要素の各々に超音波結合された凸レンズ（１４）とを具備する超音波プローブ（２０）。
【請求項１】
構成部品（１０）を検査する方法において、
物質速度ｃwの結合媒体（２２）の中に前記部品を浸漬する工程と；
少なくとも１つの変換器（１２）と、音響速度ｃL及び約２．５×１０Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有する凸レンズ（１４）とを有する超音波プローブ（２０）を前記結合媒体の中に浸漬する工程と；
前記部品内に方向付けられた超音波パルスを発生するための前記少なくとも１つの変換器を励起する工程と；
前記少なくとも１つの変換器を受信要素（１２）として使用して、複数のエコー信号を発生する工程とを具備する検査方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの変換器（１２）を励起する工程は、少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、前記少なくとも１つの変換器に励起信号パルスを印加する工程を含み、
前記検査方法は、前記パルス繰り返し周波数に走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、前記超音波プローブ（２０）によって前記部品（１０）を走査する工程を更に含み、前記励起する工程及び前記発生する工程は、前記超音波プローブの複数の測定位置（２４）の各々において実行されることを特徴とする請求項１記載の検査方法。
【請求項３】
前記パルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）は、少なくとも約５，０００Ｈｚであることを特徴とする請求項２記載の検査方法。
【請求項４】
前記凸レンズの表面（１８）から反射される複数の音波（１６）を散乱させる工程を更に含み、
前記凸レンズ（１４）の前記音響速度ｃLは、前記結合媒体（２２）の前記物質速度ｃwより遅いことを特徴とする請求項１記載の検査方法。
【請求項５】
前記超音波プローブ（２０）は、アレイ（２６）を形成する複数の変換器（１２）を具備し、前記励起する工程は、前記変換器の各々を励起する工程を含み、前記発生する工程は、前記変換器を受信要素として使用して、複数のエコー信号を発生する工程を含み、前記励起する工程は、前記変換器の各々に別個の励起信号パルスを印加する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の検査方法。
【請求項６】
産業用構成部品（１０）を試験するための超音波検査方法において、
前記産業用構成部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生するために、超音波プローブ（２０）の少なくとも１つの変換器要素（１２）を励起する工程であって、前記超音波プローブ及び前記産業用構成部品は、物質速度ｃwを有する結合媒体（２２）によって満たされたスタンドオフにより分離され、前記少なくとも１つの変換器要素を励起する工程は、少なくとも約１，５００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、前記少なくとも１つの変換器要素に励起信号パルスを印加する工程を含む、励起する工程と；
約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有するレンズ（１４）を使用して、前記少なくとも１つの変換器要素と前記結合媒体の結合を強化する工程と；
凸レンズ（１４）を使用して前記レンズの表面（１８）から反射される複数の音波（１６）を散乱させる工程と；
前記少なくとも１つの変換器要素を受信要素（１２）として使用して、複数のエコー信号を発生する工程と；
前記パルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）に走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、前記超音波プローブによって前記産業用構成部品を走査する工程であって、前記励起する工程、強化する工程、散乱させる工程及び発生する工程は、前記超音波プローブの複数の測定位置（２４）の各々において実行される、走査する工程と；
前記超音波プローブ及び前記産業用構成部品を前記結合媒体の中に浸漬する工程とを具備する超音波検査方法。
【請求項７】
結合媒体（２２）を使用して部品（１０）を試験するための超音波検査システム（３０、５０）において、
超音波プローブ（２０）であって、
（ａ）励起されたとき、前記結合媒体を通して、前記部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素（１２）と、
（ｂ）約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンスを有し、前記変換器要素の各々に超音波結合された凸レンズ（１４）とを具備する超音波プローブと；
少なくとも約１，０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、前記少なくとも１つの変換器要素に複数の信号励起パルスを供給するように構成されたパルサ／受信器（３２）と；
前記パルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）に走査増分を乗算した値に等しい走査速度で、前記超音波プローブによって前記部品を走査するように構成されたスキャナ（３４）とを具備する超音波検査システム（３０、５０）。
【請求項８】
前記凸レンズ（１４）の音響インピーダンスは、約２．０×１０6Ｒａｙｌｓ未満であり、
前記凸レンズは、前記凸レンズの表面（１８）から反射された複数の音波（１６）を散乱させるように構成され、
前記凸レンズは、前記結合媒体（２２）の物質速度ｃwより遅い音響速度ｃLを有し、
前記パルサ／受信器（３２）は、少なくとも約１，５００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ｐｒｆ）で、前記少なくとも１つの変換器要素（１２）に信号励起パルスを供給するように構成され、
前記凸レンズは、少なくとも約４のＦ＃を有することを特徴とする請求項７記載の超音波検査システム（３０、５０）。
【請求項９】
前記超音波プローブは、アレイ（２６）を形成する複数の変換器要素（１２）を具備し、前記凸レンズ（１４）は、前記変換器要素の各々を覆うように延出し、前記パルサ／受信器（３２）は、前記変換器要素の各々に別個の励起信号パルスを印加するように構成され、前記アレイ（２６）は、フェイズドアレイ（２６）であることを特徴とする請求項７記載の超音波検査システム（３０、５０）。
【請求項１０】
物質速度ｃwを有する結合媒体（２２）の中で産業用構成部品（１０）を浸漬検査するための超音波プローブ（２０）において、
励起されたとき、前記結合媒体を通して、前記産業用構成部品の内部に向かって方向付けられた超音波パルスを発生し、複数のエコー信号を発生するように構成された少なくとも１つの変換器要素（１２）と；
約２．５×１０6Ｒａｙｌｓ未満の音響インピーダンス及び少なくとも約４のＦ＃を有し、前記変換器要素の各々に超音波結合された凸レンズ（１４）とを具備する超音波プローブ（２０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１０８１３８（Ｐ２０１２−１０８１３８Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８８６１０（Ｐ２０１１−２８８６１０）
【出願日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【分割の表示】特願２００５−３４４８０６（Ｐ２００５−３４４８０６）の分割
【原出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【分割の表示】特願２００５−３４４８０６（Ｐ２００５−３４４８０６）の分割
【原出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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