音波赤外線画像化における多重モード可撓性励起のためのシステム及び方法
【課題】音エネルギによって付勢された構造を熱画像化する欠陥検出システムを提供すること。
【解決手段】このシステム（１０）は、音信号を構造（１２）の中に結合するトランスデューサ（１４）を含み、構造（１２）の中で音信号は、欠陥を加熱させる。ある実施例では、音信号は、構造（１２）の固有モードにおける又はそれに近い１つ又は複数の周波数を有している。別の実施例では、非線形結合物体（１６）がトランスデューサ（１４）と構造（１２）との間に配置され、トランスデューサ（１４）からの音エネルギを構造（１２）に結合させる。所定の力（２６）が、トランスデューサ（１４）に与えられ、音信号のパルス継続時間とパルス周波数とは、音エネルギが音響カオスを構造（１２）において誘導し、従って、熱エネルギを増加させるように、選択される。熱画像化カメラ（２２）が、構造が音信号によって加熱されると、その構造を画像化する。
【解決手段】このシステム（１０）は、音信号を構造（１２）の中に結合するトランスデューサ（１４）を含み、構造（１２）の中で音信号は、欠陥を加熱させる。ある実施例では、音信号は、構造（１２）の固有モードにおける又はそれに近い１つ又は複数の周波数を有している。別の実施例では、非線形結合物体（１６）がトランスデューサ（１４）と構造（１２）との間に配置され、トランスデューサ（１４）からの音エネルギを構造（１２）に結合させる。所定の力（２６）が、トランスデューサ（１４）に与えられ、音信号のパルス継続時間とパルス周波数とは、音エネルギが音響カオスを構造（１２）において誘導し、従って、熱エネルギを増加させるように、選択される。熱画像化カメラ（２２）が、構造が音信号によって加熱されると、その構造を画像化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、広くは、物質における欠陥を検出するシステム及びそれに関連する方法に関し、更に詳しくは、物質における欠陥を検出するシステムであって、物質において音響カオスを生じさせる態様で音声エネルギを物質の中に結合する又は多重モードの可撓性励起信号を物質の中に結合するトランスデューサと、音響カオス又は可撓性励起の結果として物質に生じた熱を画像化する熱画像化カメラとを含むシステム及びそれに関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の構造の構造的一体性を維持することは、安全性への配慮、ダウンタイム、コストなどの理由から、多くの分野で非常に重要である。構造的一体性は、物質の欠陥によって損なわれるのが典型的であり、この欠陥には、構造の中に存在しうるクラック、層間剥離、ディスボンド（分離、disbonds）、腐食、含有物、空隙などがある。例えば、発電産業においては、タービン、発電機及びプラント装置の関連するバランスを検査し運転中にコンポーネント及びシステムが故障しないことを保証するための信頼性の高い技術を利用できることが非常に重要である。同様に、航空産業において、航空機の外装及び構造的なコンポーネントの構造的一体性を検査し飛行中に航空機が構造的な故障を生じないことを保証するための信頼性の高い技術を利用できることが非常に重要である。タービン・ブレード及びロータや車両のシリンダ・ヘッドの構造的一体性もまた、それぞれの産業において非常に重要である。クラックや欠陥を検出するもっとも一般的な方法は、熟練した人間による視覚的検査である。しかし、構造的コンポーネントの一体性に影響する可能性があるクラックや欠陥は、検査者を補助する特別の技術を用いなければ容易には見ることができないことがある。従って、この技術分野では、多くの産業における異なる構造的コンポーネントや物質を非侵襲的かつ非破壊的に解析するための様々な技術が開発されてきた。欠陥を探すために非侵襲的かつ非破壊的に物質を検査する既知の技術の１つに、染料の浸透物を用いて物質を処理し、その物質に存在しうる全てのクラック又は欠陥に染料が浸透するようにする、という技術がある。この場合、次に、物質を洗浄した後で、粉末を用いて処理し、クラックの中に残っている染料が粉末の中にしみ出させるのである。そして、紫外（ＵＶ）光源を用いて物質を検査し、染料の結果である蛍光を発する物質の位置を観察する。しかし、この技術は、検査者集約的かつ検査者依存的であるという短所を有する。というのは、蛍光を検査する者が熟練していなければならないからである。更に、線量は、隙間なく閉じているクラックや物質の表面にないクラックの中には浸透しないのである。
【０００３】
欠陥を探すためにコンポーネントを検査する既知の技術で第２のものでは、そのコンポーネントにおいて渦電流を誘導する電磁コイルを用いる。コイルをコンポーネントの周囲で移動させると、クラック又はそれ以外の欠陥の位置で渦電流パターンが変化し、これをオシロスコープで観察することができる。しかし、この技術は、非常にオペレータ集約的であって、極度に低速であり時間がかかるという短所がある。
【０００４】
コンポーネントにおける欠陥を検出する別の既知の技術では、コンポーネントの熱画像化を用いて欠陥を識別する。他の熱画像化技術では、フラッシュ・ランプやヒート・ガンなどの熱源を用いて、熱の平坦パルスをコンポーネントの表面に向ける。コンポーネントは熱を吸収し、赤外線波長の放射を放出する。ある種の欠陥があるとその欠陥の位置の表面温度は周囲の領域の表面温度とは異なる比率で低下する。熱又は赤外線画像化カメラを用いてコンポーネントを画像化して、結果的に生じる表面温度の変化を検出するのである。この技術はディスボンドと腐食との検出には成功したが、コンポーネントにおける垂直方向のクラックの検出については成功しないのが通常である。垂直方向のクラックとは、コンポーネントの表面に対して直角なクラックである。その理由は、疲労クラックは平坦熱パルスにはナイフ・エッジのように見えるため、そのようなクラックからは熱反射は全く又は最小限にしか生ぜず、熱画像において見るのは困難又は不可能であるからである。
【０００５】
物質における欠陥を検出する熱画像化は、物質の超音波励起を用いて熱を発生させるシステムにも拡張されている。音波がクラックやそれ以外の欠陥を含む固体の中を伝搬してその物質を振動させると、音響熱効果が生じる。クラックの両面は音波が通過するときに通常は同時に振動しないので、両面の間の摩擦などの散逸的現象により、振動エネルギの一部が熱に変換される。この熱効果を赤外線画像化と組み合わせることにより、非常に効率的な非破壊的なクラック検出システムを実現することができる。このような画像化システムは、一般に、ソニックＩＲ、サーモソニック。アコースティック・サーモグラフィなどとして文献に記載される。
【０００６】
Rantala, J.他による"Lock-in Thermography with Mechanical Loss Angle Heating at Ultrasonic Frequencies," Quantitative Infrared Thermography, Eurotherm Series 50, Edizioni Ets Piza 1997, pgs. 389-393には、そのような欠陥検出技術が開示されている。超音波がクラックの対向するエッジを相互に摩擦させることによりクラックを加熱させる。コンポーネントの損傷のない部分は超音波により最小限に加熱されるだけであるから、そのコンポーネントの結果的な熱画像は、暗い背景に対して明るい領域としてクラックを示すことになる。
【０００７】
２００１年５月２２日にThomas他に与えられ、この出願の譲受人に譲渡されている"Infrared Imaging of Ultrasonically Excited Subsurface Defects in Materials"と題する米国特許第６，２３６，０４９号には、超音波励起によってコンポーネントにおけるクラックやそれ以外の欠陥を検出する熱画像化システムが開示されている。超音波トランスデューサがコンポーネントに結合され、トランスデューサからの超音波エネルギが欠陥を加熱させ、その様子が熱カメラにより検出される。超音波エネルギは振幅がほぼ一定のパルスの形式を有している。制御ユニットを用いて、この超音波トランスデューサとカメラとの動作のためのタイミング及び制御機能が提供される。
【発明の開示】
【０００８】
本発明の教示によると、音エネルギによって加熱された構造における表面下クラック及びそれ以外の欠陥を熱画像化するシステム及び方法が開示される。トランスデューサなどの音源が音信号を構造の中に結合し、信号の中の音波が欠陥のエッジを相互に振動させ加熱させる。熱画像化カメラが、音源によって加熱されているときにその構造を画像化して、欠陥を識別する。
【０００９】
ある実施例では、音信号は、特定の構造に対して選択された周波数の組合せを含むことにより、その構造の固有モードの又はその付近の周波数が生じるようになっている。この実施例では、音源は、異なる周波数を中心とする信号とチャープ信号、パルス・エンベロープ信号などの組合せを発生して、音信号の周波数、振幅及び継続時間を変動させることができ、それにより、固有モードが、励起される、又は、可撓的な多重モード励起のために回避される。
【００１０】
別の実施例では、非線形結合物質などの結合物質が音源と構造との間に置かれ、音信号を構造に結合させる。所定の力が音源に加えられて、音源を構造に対して押しつけられる。この力と音信号のパルス継続時間及び周波数とは、音エネルギが構造において音響カオスを誘導するように選択され、構造においては、音響カオスが熱エネルギの発生を増加させる。構造の振動は、振動計又はマイクロフォンによって測定することができ、カオス周波数が存在しているかどうかが判断される。
【００１１】
本発明の更なる効果及び特徴は、以下の詳細な説明と冒頭の特許請求の範囲とを添付の図面を参照して読むことにより明らかになるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
構造における欠陥を検出する欠陥検出システムに向けられた本発明の実施例に関する以下の説明は、その性質として単なる例示であり、本発明又はその応答例若しくは使用を制限する意図は全くない。
【００１３】
図１は、本発明のある実施例による欠陥検出システム１０のブロック図である。システム１０は、コンポーネント１２においてクラック、腐食、層間剥離、ディスボンドなどの欠陥を検出するのに用いられる。コンポーネント１２は、壊滅的な故障を生じさせる可能性があるタイプの欠陥を含みうる、航空機の外装、タービン・ブレード、タービン・ロータ・発電機、車両のシリンダ・ヘッドなど、任意の構造的コンポーネント又は物質を表すものとする。強調しておきたいのは、コンポーネント１２は金属であることは必要でなく、セラミクスや複合材などそれ以外の物質であり得るということである。
【００１４】
システム１０は、ある超音波周波数帯域内の音信号を発生する超音波トランスデューサ１４を含む。超音波トランスデューサ１４は、音信号をコンポーネント１２に結合するホーン１８を含む。トランスデューサ１４は、本発明のサーモソニック・プロセスの目的に適した従来型のトランスデューサでよい。トランスデューサ１４は、圧電素子の使用により、電気パルスの機械的変位への変換を提供する。例えば、トランスデューサ１４は、正確な寸法に切断され結晶の切断寸法によって命じられる非常に狭い周波数で動作する圧電結晶のＰＺＴスタックを用いる。ＰＺＴスタックはホーン１８に機械的に結合され、ホーン１８の先端はコンポーネント１２に対して押しつけられる。この先端は、固定された寸法を有し可撓的ではないので、接触領域において、大きな接触領域及び圧力を示す。これは、コンポーネント１２の平坦でなく平滑でない表面によって更に影響を受ける。トランスデューサ１４は、また、米国特許第６，２３２，７０１号及び米国特許第６，２７４，９６７号に記載されたものや、米国メリーランド州ゲイサーズバーグ（Gaithersburg）所在のウィルコックス・リサーチ（Wilcox Research）社の製造によるモデルＦ７−１圧電シェイカー・システムなどの、調整可能な圧電機械式励起装置であり得る。
【００１５】
ある実施例では、トランスデューサ１４は、１秒の約半分の時間周期の間、約８００ワットの電力レベルで、約４０ｋＨｚの周波数を有する超音波エネルギのパルスを発生する。しかし、この技術分野の当業者であれば理解するように、本発明の範囲の中で、他の超音波又は音周波数、電力レベル及びパルスの継続時間を用いることが可能である。トランスデューサ１４は、超音波溶接トランスデューサを駆動する８００Ｗのブランソン４０ｋＨｚ電源であり得る。
【００１６】
トランスデューサ１４からの超音波エネルギは、機械的カプラ１６を介してコンポーネント１２の中に結合される。カプラ１６は、トランスデューサのホーン１８とコンポーネント１２の前面２０とに機械的に接触している。図２は、カプラ１６及びコンポーネント１２と接触しているホーン１８を示す分解された側面図である。ある実施例では、カプラ１６は、自動車のガスケット物質、皮革、ダクト・テープ、コルク、テフロン（登録商標）、紙などの非線形カプラであり、音響エネルギの結果としてコンポーネント１２の中の欠陥の周囲に後で論じる音響カオスを生じさせる。他の実施例では、カプラ１６は、銅などの柔らかい金属の薄片であり、超音波エネルギをコンポーネント１２の中に効率的に結合することができる。しかし、注意すべきことであるが、応用例によっては、カプラ１６は必要とされずに、しかし、依然として音響カオスを提供するということである。任意の適切な道具（図示せず）によって力２６をトランスデューサ１４に与えてホーン１８をカプラ１６及びコンポーネント１２とに対して押しつけることもできる。トランスデューサ１４に加えられる力の大きさを選択することにより、コンポーネント１２の中での音響カオスの発生を増加させることができる。
【００１７】
検出システム１０は、図示されているように、コンポーネント１２から所定の距離だけ離間させた熱画像化カメラ２２を含む。カメラ２２は、コンポーネント１２の超音波励起と共に、コンポーネント１２の画像を発生する。カメラ２２は、１枚の画像において希望するコンポーネント１２の画像を提供するのに適した任意の距離だけコンポーネント１２の背面から離間させ、所望の解像度で複数の欠陥を同時に検出することができる。他の実施例では、トランスデューサ１４からの超音波エネルギとカメラ２２によって発生された画像とは、コンポーネント１２の同じ側に、又は、コンポーネント１２の任意の側に提供されうる。熱カメラ２２は、ここで述べている目的に適した任意のカメラでよい。例えば、レイセオン（Raytheon）社から入手可能なレイディアンス（Radiance）ＨＳカメラや、インディゴ・システムズ（Indigo Systems）社のフィニックス（Phoenix）ＩＲカメラなどである。ある実施例では、カメラ２２は、３−５ミクロンの波長範囲の赤外線放射を感知して、毎秒１００フレームで画像を発生する。カメラ２２は、２５６ｘ２５６ＩｎＳｂのピクセルを有し所望の解像度を生じる焦平面アレイを含む。
【００１８】
コントローラ３０は、トランスデューサ１４とカメラ２２との間のタイミングを提供する。コントローラ３０は、ここで述べている目的に適する任意のコンピュータでよい。検出プロセスが開始されると、コントローラ３０は、カメラ２２に、所定の速度でコンポーネント１２のシーケンシャルな画像の撮影を開始させる。画像のシーケンスがいったん開始すると、コントローラ３０は、信号を電力増幅器３２に送って、増幅器３２にパルスをトランスデューサ１４に送らせてパルス化された超音波信号を生じさせる。超音波エネルギは、所望の周波数を有する単純なパルスの形式である。画像は、カメラ２２によって発生され、コンポーネント１２の画像を表示するモニタ３４に送られる。画像は、また、希望する場合には別の場所で見るために記憶装置３６に送ることもできる。
【００１９】
コンポーネント１２に与えられた超音波エネルギは、コンポーネント１２におけるクラック及びそれ以外の欠陥の面を相互に摩擦させ熱を生じさせる。システム１０において適切なパラメータを提供することにより、既に論じたように、音響カオスがコンポーネント１２において生じて、欠陥の加熱を促進する。カメラ２２によって発生される画像では、熱は、明るいスポットとして現れる。従って、システム１０は、非常に小さな狭い間隔で閉じているクラックを識別するのに優れている。クラックの両面が接触しないような開いたクラックの場合には、熱は、クラックの先端の応力集中点において発生される。この点は、画像では明るいスポットとして現れ、開いたクラックの端部又は先端を示す。超音波エネルギは、エネルギ・パルスに対するクラックの向きとは無関係にコンポーネント１２におけるクラック又は欠陥を加熱するのに効果的である。カメラ２２は、コンポーネント１２の表面の画像を撮影し、コンポーネント１２の厚さの中でクラックがどの位置にあるのかとは関係なくコンポーネント１２の中の任意のクラックの視覚的指示を提供する。
【００２０】
より詳細には後述するが、トランスデューサ１４からの超音波エネルギは、コンポーネント１２に音響カオスを発生する。音響カオスは、コンポーネント１２の振動を測定してカオス周波数を決定することによって測定することができる。ある実施例では、ポリテク（Polytec）ＰＩＯＦＶ−５１１シングル・ファイバ・ドップラ・レーザ振動計などの振動計２８を用いて、コンポーネント１２の振動を測定することができる。振動計２８は、コンポーネント１２の方向に光ビームを放射し、コンポーネントからの光の反射が振動計に受け取られる。光信号のコンポーネント１２への及びコンポーネント１２からの移動時間により、コンポーネント１２が振動計２８にどのくらい近くにあるかを、そして、その振動を決定する。振動計２８は、ドップラ効果と適切なアルゴリズムとを用いて振動周波数を計算する。振動計２８によってなされる測定は、コントローラ３０に送られ、モニタ３４上で周波数信号として表示される。コントローラ３０は、振動計２８からの信号をフーリエ変換して、振動スペクトルに時間依存する周波数信号を発生する。ある実施例では、振動計２８は、２．５６ＭＨｚまでのデジタル化速度を有し、それにより、約１．２ＭＨｚまでの振動周波数を決定することができる。注意すべきであるが、振動計２８は、コンポーネント１２に対して法線方向に向けられている必要はない。
【００２１】
別の実施例では、振動計２８は、トランスデューサ１４が超音波パルスを放射するときに可聴周波数又はホーンの「叫び声（スクリーチ）」を単純に測定するマイクロフォンによって代替することができる。ホーンのスクリーチ自体は、コンポーネント１２において音響カオスが生じていることを示すものであると考えられる。マイクロフォンが受け取る信号は、また、コントローラに送られモニタ３４上に表示される。
【００２２】
ここで論じているコンポーネントにおけるクラックを画像化するプロセスを図解するため、図３（ａ）から図３（ｄ）は、構造４２における開いた疲労クラック４０の４つのシーケンシャルな画像３８を示している。図３（ａ）は、超音波エネルギが加えられる前の構造４２の画像３８を示している。図３（ｂ）は、超音波エネルギが加えられてから約１４ｍｓ後の構造４２の画像３８を示している。明らかなように、明るい（温度が高い）スポット４４（暗い領域としてスケッチされている）が、クラック４０の閉じた端部に現れており、その場所では機械的な振動が熱を生じさせているのである。図３（ｃ）及び３（ｄ）は、それぞれ、約６４ｍｓ及び１１４ｍｓ後の時点における後の画像３８を示している。画像３８上の明るいスポット４４は、このシーケンスでは劇的に増加しており、クラック４０の位置を明確に指示している。
【００２３】
本発明の別の実施例によると、トランスデューサ１４を、電磁気的音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）によって代替することが可能である。この目的に用いられるＥＭＡＴは、Thomas他に与えられ、ウェイン州立大学とジーメンス・ウェスティングハウス・パワー・コーポレーションに譲渡された米国特許第６，３９９，９４８号に開示されている。この米国特許は、この出願において援用する。
【００２４】
ＥＭＡＴは、試験対象の物体において静磁場を生じさせる永久磁石又は電磁石を含む。提供される電磁石は、時間と共に変動する電流によって付勢されて試験対象の物体の表面の上とすぐ下とに渦電流を発生するものである。この渦電流が静磁場と相互作用をして、物体内の自由電子に対して作用するローレンツ力を生じさせ、それにより、静磁場の方向と局所的な渦電流と尼僧後に垂直な方向に、物体内のイオンとの衝突を誘導する。この相互作用により、物体の中の不連続点から反射され欠陥を識別する様々な分極を有する音波を生じさせる。本発明では、これらの音波が、欠陥の位置に熱を生じさせる。音波は様々な形態で存在するのであって、限定列挙ではないが、シア（sheer）波、表面波、平面波、レイリー波、ラム波などを含む。この出願で論じられている音響カオスを生じさせるためには、ＥＭＡＴは、特定の共振周波数に同調させることはできず、ブロードバンドであるべきである。
【００２５】
本発明のこの実施例を図解するために、図４は、上述したタイプのＥＭＡＴ５２を用いる欠陥検出システム５０の分解された全体図である。ＥＭＡＴ５２は、タービン・エンジンの内部のタービン・ブレード５４に接するように配置されているのであるが、欠陥を検出される任意の適切な部分でありうる。長いケーブル５６が、ＥＭＡＴ５２と、上述したコントローラ３０のようなコントローラ（図示せず）とに結合される。ケーブル５６は、永久磁石６０の周囲を包囲しているコイル５８を含む。コイル５８に与えられたケーブル５６上のＡＣ電圧信号により、渦電流が、タービン・ブレード５４において永久磁石６０によって発生される静磁場と相互作用をする。渦電流と静磁場との間の相互作用により、音波及び超音波が生じて、これにより、ブレード５４におけるクラック６４又はそれ以外の欠陥の面が相互に摩擦して熱放射６４を生じる。放射収集装置６６が、カメラ２２のような適切な赤外線カメラ（図示せず）に結合され、画像を提供する。
【００２６】
結合物質が、永久磁石６０とタービン・ブレード５４との間に提供され、ＥＭＡＴ５２からの電磁エネルギをタービン・ブレード５４の中に効果的に結合させる。この結合物質は、磁石６０の永久構造の一部であり、システム５０をタービン・エンジンの内部での遠隔検出に最寄り適用可能とすることができる。ＥＭＡＴ５２はブロードバンドとすることができるから、カオスは、後述する電気的に発生されたカオス信号を印加することによって、タービン・ブレード５４において、生じさせることができる。
【００２７】
本発明によると、音響カオスは、コンポーネント１２において生じて、音響カオスが存在しない場合よりも上のレベルまでコンポーネント１２の欠陥における熱エネルギの量を増加させるように作用する。音響カオスとは、この出願では、スペクトル周波数が励起周波数（ここでは、４０ＫＨｚ）と有理数の比率によって関係付けられている振動波形を提供する周波数の範囲として定義される。音響カオスと関連する周波数は、励起周波数よりも低い場合も高い場合もありうる。音響カオスは、数学的関係としてモデル化が可能であり、多くの文献がある。その一例として、Rasband, S. Neil他による”Chaotic Dynamics of Non-Linear Systems”（１９９０）がある。
【００２８】
コンポーネント１２において音響カオスを生じさせるには、トランスデューサ１４に加えられる力２６と、カプラ１６の材料と、カプラ１６の厚さと、音響入力パルスの周波数と、音響入力パルスの継続時間との正しい組合せが提供されなければならない。４０ｋＨｚの音響パルスは、通常の成人の聴力を超えている。しかし、カメラ２２からの最良の画質は、音響サウンドすなわち「ホーン・スクリーチ」が感知されたときであることが観察されている。この可聴のスクリーチの存在は、通常は、ホーン１８とコンポーネント１２との間の結合における非線形性に起因するとされる。しかし、このホーン・スクリーチは、音響カオスの開始の結果である非調和周波数の結果として、又は、音響カオスに先立つ擬似カオス的な条件から生じる。
【００２９】
非線形特性を示す様々な物質が、カプラ１６には適している。カプラ１６は、ホーン１８をコンポーネント１２と接する位置に保持し密着した接触を提供するためにトランスデューサ１４に加えられる力２６によって圧縮される。しかし、トランスデューサ１４に加えた力の量が、所望のスクリーチすなわちより高品質の画像を得るために重要である。力が弱すぎると、コンポーネント１２には非常に僅かな音だけが結合される。力が強すぎても、同じ効果が生じてしまう。スクリーチを生じさせるのに必要な力の正確な量は、音を注入するのに用いられる特定の音響ホーンに依存する。というのは、異なるホーンは異なる振動振幅を有するからであると考えられる。従って、振動振幅と加えられる力との特定の組合せが、スクリーチの発生には重要である。
【００３０】
適切な力がホーン１８に加えられることによって、ホーン１８の先端が、入力パルスの音響周期の負の半分の間にコンポーネント１２の表面から反動することが可能となる。そのような反動が生じると、コンポーネント１２への入力は、正弦波であるよりも、超音波入力周波数における一連の間隔が等しいキック又はバンプである可能性が大きい。キックされているシステムが自然共振を有するときは、これらの共振の中の１つ又は複数が、キッスによって励起される。一連の規則的な間隔のキックを受ける共振システムの数学的問題の解は、上で引用した書物において見つけることができる。ｎ番目のキックの後での解は次の方程式によって与えられる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ただし、ここで、係数Ａｎ及びＢｎは次の式によって与えられる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
【数３】
【００３５】
ここで、Ｃはキックの強さであり、ωは発振器の自然周波数であり、Ω＝（２π／τ）は角「キッキング」周波数である。ω／Ωが有理数である場合には、上述の方程式は周期的であり、共振が存在する可能性がある。
【００３６】
ここで論じている超音波信号の印加の結果としてコンポーネント１２に生じる音響カオスを更に研究するには、コンポーネント１２の振動応答画像を、例えば、振動計２８を用いて得ることができる。図５は、水平軸が時間で垂直軸が振幅であって、入力パルスの継続時間の間に振動計によって感知された波形を示すグラフである。この波形は、５つのＡからＥまでの５つの領域に分割されている。別個の領域ＡからＥのそれぞれは、フーリエ解析されてあり、領域Ａのフーリエ解析は純粋な４０ｋＨｚのサンプル振動を示す。領域Ｂにおける「バンプ」は、振動の振る舞いの定性的な変化を示唆している。実際、解析によると、１６０ｋＨｚまでの２０ｋＨｚすべての整数倍と共に、の２０ｋＨｚにおける強い低調波信号の存在が示されるが、追加的な測定可能な周波数は存在しない。領域Ｂにおける「バンプ」に続いて、領域Ｃは長い領域でありここではフーリエ解析によっても低調波の存在は示されない。しかし、２００ｋＨｚまでの４０ｋＨｚのすべての整数倍が存在する。従って、代書の３つの領域であるＡからＣでは、可聴周波数は存在しない。
【００３７】
領域Ｄ及び領域Ｅにおいて波形及びそのスペクトルの劇的な変化が生じ、これは、可聴的な「スクリーチ」の開始に対応する。図６は、水平軸が周波数で垂直軸が振幅であり、領域Ｄのフーリエ変換のスペクトルのグラフである。明らかなように、領域Ｄは、多数の小さな識別されていない周波数と共に、基本周波数（４０ｋＨｚ）の１／１１の整数倍である一連の周波数を含んでいる。
【００３８】
領域Ｅでは、波形の別の劇的な変化が生じており、図７に示されているように、フーリエ変換により、基本周波数（４０ｋＨｚ）の１／１３の整数倍の一連の周波数が生じている。より典型的な波形では、多くのそのようなシーケンスの混合物が存在していて、半分、３分の１、４分の１、５分の１、７分の１、８分の１、９分の１、１１分の１、１３分の１、２４分の１などの分数が存在している。振幅が増加すると、これらの波形の多くにおいて、明確な変化がシーケンスの間に存在している。振幅と波形の複雑性とが大きくなるのに関連して、画像に示されているように、加熱の明らかな増加がある。同じ現象は、異なる電源、トランスデューサ、基本周波数なとを用いても観察された。
【００３９】
振動するにおける非常に多くの周波数の存在は、方程式（１）−（３）において記述されているように、擬似カオス的な励起の明らかな証拠である。方程式（１）−（３）は、別の周期的システムによって「キックされた」調和振動子に基づいて得られたものである。この現象は、単純な平面の場合にだけでなく、タービン・エンジンのファン・ディスクのような非常に大きく複雑な形状の物体の倍にも観察されている。従って、ここで論じている共振システムは実際に音響ホーン及びそれに関連する電子装置であり、ホーンがサンプルを「キックしている」と考えるのではなく、サンプルがホーンを「キックしている」と考える方が示唆的であると思われる。
【００４０】
図８は、欠陥を有する又は有しない検査対象の物体７２において音響カオスを生じさせる欠陥検出システム７０のブロック図である。物体７２は、上述した熱画像化カメラ（図示せず）によって画像化され、欠陥が存在するかどうかが判断される。この実施例では、カオス信号は、上述した音響ホーンに加えられた力、結合物質、カプラの厚さ並びに励起パルスの周波数及び継続時間などに依存するのではなく、電子カオス信号発生器７４によって発生される。カオス信号発生器７４は、この出願で論じられているタイプのカオス信号を発生する任意の装置でよい。一般に、発生器７４は、カオス的な音の特別な周波数成分をすべて有する電気波形を作成する非線形回路素子を含む。あるいは、カオス信号は、デジタル・コンピュータによってデジタル的に発生させることもできる。
【００４１】
発生器７４によって発生されたカオス信号は、その信号を増幅するパワー増幅器７６に与えられる。増幅されたカオス信号は、ブロードバンド・トランスデューサ７８に与えられる。この信号は、カプラ８０を会して物体７２の中に結合されたトランスデューサ７８において音信号を発生する。トランスデューサ７８に与えられた信号は、既にカオス的であるから、トランスデューサ７８によって物体７２の中に線形に結合することができる。トランスデューサ７８からの音響信号は、このようにして、物体７２において音響カオスを誘導し、物体７２の中の欠陥の加熱を増加させる。
【００４２】
本発明の別の実施例によると、サーモグラフィ欠陥検出システムが、複数の周波数にわたる超音波励起信号を用いて検査される物体を励起し、物体の中にあるクラック又はクラックのような欠陥の位置において熱を生じさせ、それを赤外線カメラによって検出できるようにする。物体は、金属、セラミクス、プラスチック、ガラス、コーティングされた金属、金属マトリクス混合物、セラミクス・マトリクス混合物、ポリマ・マトリクス混合物など、固体物質で構成される任意のものである。
【００４３】
この技術分野において知られているように、弾性体には、固有モードと固有周波数とが存在するのであるが、これらは、物体の幾何学的構成、弾性的な性質、固定物におけるクランピングなど追加的な境界条件、そして、物体において振動を生じさせる技術などによって定義される。物体の固有モードは、振動が与えられた物体の中の場所に共振が生じる周波数を定義する。従って、物体における局所的な振動振幅と、これによる欠陥の検出可能性とは、励起信号の励起周波数、振幅及び継続時間に著しく依存する。物体の固有モードにおける又はそれに近い周波数を有する励起信号は、結果的に、物体における振動振幅の著しい増加を生じさせる。工業製品のコンポーネントの固有モードを知るのは容易ではないし、それは、コンポーネントの幾何学的構成、弾性的な性質及び境界条件が僅かに変化しただけで、ときには非線形的に変化するので、単一の周波数、振幅及び継続時間の励起信号を用いても、予期しない振動の結果が生じる場合がある。結果における実質的な変動は、所定の周波数、振幅及び継続時間における１つ又は複数のパルスを放射する震動源を用いた場合にも観測されている。
【００４４】
ある組の周波数又は変化する周波数を用いて物体を刺激するのは、その物体の複数の固有モードを励起させることができ、従って、振動振幅の分布がより均一化するすなわちノードを回避できるので、好ましい。特に、対応する周波数とモード・パターンとに属する異なる歪み振幅を組み合わせると、十分に高い振幅の歪みと、欠陥が検出される物体の任意の位置における十分な数のサイクルとが生じる。これは、異なるモード・パターンを異なる自然周波数と組み合わせることによって行うことができる。周波数を選択する可能性は、物体特にその薄い箇所を損傷する可能性がある特別の固有モードが存在する場合に役に立つ。励起信号は、このような周波数を回避するように同調又は調節することができる。
【００４５】
図９は、この出願において一般的に論じられているタイプの物体９２において欠陥を検出するサーモグラフィ欠陥検出システムのブロック図である。このサーモグラフィ・システム９０は、ある種の定義された周波数パターンで音エネルギを物体９２の中に結合させるホーン９６を有する超音波トランスデューサ９４を含む。他の実施例では、ホーン９６は、後述するように、ブロードバンド・トランスデューサで代替することができる。トランスデューサ９４は、トランスデューサ１４と同じものでもよいし、この出願での議論と矛盾しない別の適切な音響装置でもよい。例えば、トランスデューサ９４は、所望の周波数パターンを提供する圧電式、電磁気的又は磁歪素子でもかまわない。後述するように、物体９２に結合された音エネルギは、物体９２の中の欠陥（クラック）を加熱するパルス化された周波数信号の形式を有する。赤外線カメラ９８は、加熱され物体において識別される欠陥を画像化する。
【００４６】
コントローラ１００は、システム９０の動作を制御して、トランスデューサ９４とカメラ９８との間のタイミングを提供する。コントローラ１００は、所望のパルス速度、パルス継続時間、周波数、エンベロープの形状などを有し様々な実施例に関してこの出願での議論と矛盾しない信号をトランスデューサ９４に提供する信号整形器１０２を制御する。システム９０は、また、物体に接するように配置され励起信号によって励起されたときに物体９２の内部の振動モード及びパターンを聴く振動センサ１０４も含む。振動センサ１０４は、この出願で論じられている目的に適した任意のセンサでよい。例えば、加速度計、渦電流ベースの振動センサ、光振動センサ、マイクロフォン、超音波トランスデューサ、超音波振動センサなどである。センサ１０４は、振動パターンを示す信号をコントローラ１００に提供することにより、コントローラ１００は、励起信号によってどのような振動が物体９２の中に誘導されているのかを知ることになる。コンピュータ１００は、次に、この情報を用いて信号整形器１０２に与えた信号を変更し、トランスデューサ９４から物体９２に与えられた励起信号を変動させ、欠陥をよりよく加熱するために、物体９２の中の異なっていておそらくはより好ましい振動パターンを得る。
【００４７】
ある実施例では、トランスデューサ９４は、異なる中心周波数に同調されている周波数又は比較的大きな周波数帯域を有するブロードバンド信号を提供することができるブロードバンド・トランスデューサである。このブロードバンド・トランスデューサ９４は、異なる周波数を中心とする信号をシーケンシャルに又は同時に提供することができる。これらの周波数は、増加する態様で又は減少する態様で、ランダムに、上方向に掃引されて、下方向に掃引されて、ランダムな掃引で提供することができる。複数の周波数帯域を提供することにより、物体９２の中で、動作のないすなわち付勢されていない領域をなくすことができる。また、励起信号は、周波数が時間と共に変化するチャープ信号でもありうる。
【００４８】
あるいは、システム９０は、異なるナローバンドの中心周波数に同調させた複数のトランスデューサを用いて、周波数が異なる複数の励起信号を用いて物体９２を励起することができる。このように、システム９０は、音励起信号を物体９２の中に結合する第２のトランスデューサ１０６を用いることもできる。この場合、トランスデューサ９４及び１０６は、異なるバローバンド周波数に同調される。更に、システム９０は、トランスデューサのアレイを用いることもできる。コントローラ１００はトランスデューサ９４及び１０６からの励起信号のタイミングを制御し、信号整形器１０２はトランスデューサ９４及び１０６によって発生された信号の形状を定義して物体９２の内部において所望の振動を得る。もちろん、システム９０は、３以上の周波数入力信号に対して３以上のトランスデューサを用いることもできる。
【００４９】
トランスデューサ９４、コントローラ１００及び信号整形器１０２の中の１つ又は複数に対して用いることができ音及び超音波信号信号を提供するる可撓的な励起システムが、この技術分野において知られている。これらのシステムは、適切な任意の波形発生器、増幅器、コンバータ及び周波数パターンを発生するそれ以外の関連する装置を含む。これらのシステムによれば、連続的な信号の適切な混合や、連続的な信号とパルス信号との組合せによって、又は、連続的な信号の振幅の特定の制御によって、選択的な周波数コンテンツ及び振幅特性で構成される任意の又は特定の設計の波形の作成が可能になる。従って、パルス・エンベロープ及び周波数特性の任意の形状を作成することができる。これらの任意の形状は、デジタル・コンピュータやデジタル整形器によってデジタル的に発生させることも可能である。更に、システム成分は、動的に駆動され、それによって、振動センサや加速度計などからの追加的な入力に基づく振幅及び周波数の制御が可能になる。
【００５０】
図１０ないし図１８は、様々な応用例について様々な周波数特性を有し物体９２に与えることができる様々な励起信号を示すグラフである。既に述べたように、トランスデューサ９４からの様々な励起信号は、物体９２における固有モードを励起する又はそれを回避して、物体９２における欠陥の加熱を増加又は強化することを意図している。図１０ないし図１３は、２ｍｓの時間フレームでの励起信号の一部を示している。図１５は、４ｍｓの時間フレームでの励起信号の一部を示している。これらのタイプの信号に対する励起信号の典型的な継続時間は、約１秒である。図１４及び図１６−１９は、励起信号の全体を示している。
【００５１】
図１０は、２０ｋＨｚと２１ｋＨｚとを中心とする２つの周波数の組合せである励起信号パルスを示している。図１１は、２０ｋＨｚと４０．５ｋＨｚとを中心とする２つの周波数の組合せである励起信号パルスを示している。図１２は、２０ｋＨｚと４１ｋＨｚとを中心とする２つの周波数の組合せである励起信号パルスを示している。図１３は、２０ｋＨｚと２１ｋＨｚと２２ｋＨｚとを中心とする３つの周波数の組合せである励起信号パルスを示している。図１４は、２０ｋＨｚの周囲のガウス周波数帯域である励起信号パルスを示している。図１５は、上方向の周波数掃引を有するチャープ信号である励起信号を示している。図１６は、励起信号をオン及びオフに切り換えるデジタル・シーケンス（１，０，１，０，０，１，１，１，０，０，１，１，・・・）のランダム・パルスの組によっ定義されたシグナチュア信号である励起信号を示している。ただし、ここには、全体の励起信号が示されている。パルスのランダムな組が感知された赤外線信号に転送され復号化されてＳＮ比を改善する。図１７は、２０ｋＨｚの周囲の矩形周波数帯域に基づく励起信号を示している。ただし、ここには、全体の励起信号が示されている。
【００５２】
図１８は、開始時にステップを有する増加する振幅を有する励起信号を示している。ただし、ここには、全体の励起信号が示されている。誘導された振動がトランスデューサ９４の一定でない過渡的な応答、トランスデューサ９４の不安定な結合、不安定なクランピング条件などの場合にコントローラによって一定に維持されなければならない、又は、指数関数的な減少など励起信号のある種の特性が意図されている場合には、振幅の変動は上昇する。図１９は、選択されたエンベロープ周波数を有する２つのパルスの組である励起信号を示している。第１のパルスの幅は小さく、その結果、表面欠陥の検出に適した小さな熱拡散長が生じる。第２のパルスはそれよりもかなり幅が広く、結果的に、表面下の欠陥に適したより大きな拡散長が生じる。
【００５３】
本発明によると、物体９２の様々な特徴を調べることができるが、それには、振動モードの調査、同調された検査の実行、励起信号のエンベロープの振動（強度変調）などが含まれる。振動モードの調査は、物体９２の固有モードの自然周波数及び空間的パターンの決定のために、入力の周波数掃引を実行することを含む。物体９２の測定の方法は、追加的なセンサを用いての、電圧と電流との間の位相シフト、実効電力又は振動振幅の測定を含む。
【００５４】
同調された検査の実行には、励起信号の周波数の変動を提供することができる。周波数のこのような変動には、周波数の組を用いた物体９２の励起と、周波数帯域を用いた物体９２の励起と、既存の固有モードの範囲内の周波数帯域を含むノイズ信号を用いた物体９２の励起と、チャープ信号を用いた物体９２の励起とが含まれる。チャープ信号の反復は、励起信号の周波数を固有モードが存在する定義された帯域の中で上下に反復的に掃引することによって可能である。励起信号の振幅の同調された検査の実行は、励起信号にステップ状の又は変動する振幅パルス又はパルスの組を提供する、物体９２の励起に掃引の態様によりローからハイへ又はハイからローへ連続的に変動する振幅を提供する、又は、物体９２の励起に循環的に振幅の態様で連続的に変化する振幅を提供することを含む。更に、物体９２の固有モードに基づく信号エネルギ入力の位置を変動させることができる。
【００５５】
励起信号のエンベロープの変動のために、励起信号は、図１６に関して上述した赤外線応答の中のシグナチュアの認識のように、エンベロープの特別なシグナチュアを有することがありうる。また、欠陥の深さや物体９２の熱特性への適応を含むエンベロープの特別な周波数を選択する信号の励起は、図１９に関して上述したように、提供することができる。強度変調のこれらの周波数は、典型的には、図１９に示されているように、音周波数よりも数オーダー分だけ大きさが劣るのが通常である。また、動作レンジの中で周波数を変動させる励起信号を提供することが可能であるし、又は、市販されている超音波溶接装置を様々な方法で用いることができる。励起信号の周波数は、そのレンジにおいて、ローからハイの周波数へ変動又は掃引することができる。あるいは、励起信号の周波数は、ローからハイへ及びハイからローへ循環的に変動させることができるし、周波数変調の態様で複数回反復させることができる。
【００５６】
励起信号は、物体９２に転送される振動エネルギを一定に維持することができ、よって、追加的な振動センサを用いて振動振幅の測定の基づいて、又は、物体９２のＩＲ応答を用いた又は基準サンプルからの励起信号に基づいて、結合及びクランピング条件の変化を均衡させる。励起信号は、定常的に増加する振幅を有することができ、これは、損傷が予想されるレベルの下で停止する又は結果的に一定に維持される。信号の開始は、ゼロ振幅又は安全振幅においてでなければならない。
【００５７】
本発明の別の実施例によると、一連のＮ個の励起を用いた欠陥検出テストの変形例が与えられる。ここでＮは、１よりも大きく、予め選択された又は自動的に選択された励起パルスの数である。１からＮまでの励起パルスのそれぞれは、予め選択された周波数、振幅及び継続時間から構成され、励起１から励起Ｎまで、それぞれの励起感覚の間に物体９２において異なる固有モードの振動を生じさせる。赤外線又は熱画像化は、Ｎショットの周期全体の間アクティブなままで維持され、それによって、ある種の変化する振動条件に適した欠陥加熱イベントがテスト・シーケンスの全体で積分又は平均化することができる。
【００５８】
可撓的な励起技術は、クラック位置における局所的な加熱を生じさせ、非線形の振動モード変化の間の過剰な振動から生じうる物体９２の任意の加熱を最小化させる最適振動モードの機会を最大化する。欠陥位置からの加熱の最大化と物体９２の任意の又は一般的な加熱の最小化とのこのような組合せにより、ＳＮ比を向上させることができ、欠陥の位置の識別に役立つ。
【００５９】
システム９０は、開ループ又は閉ループ制御に向けて設計することができる。開ループ制御の実施例では、同調されたエンベロープの励起信号を用いて、物体９２の固有モード解析に基づいて、すなわち、解析的又は経験的測定方法によって、物体９２における振動を生じさせることができる。所定の固有モードは、信号オプションの特性と比較して評価され、システムのテスト・サイクルで用いられるために、１つのオプションが選択される。同調された又はエンベロープ励起信号の周波数、継続時間及び振幅という特性は、全体のテストの感度を制御し、物体９２を損傷させるのに要求されるレベルに対する振動によって物体９２に誘導される応力及び歪みのレベルを制御し、物体９２における制限された領域又は関心対象の領域を制御し、振動のほぼ均一な配分を達成し、検査のための関心対象の特定の欠陥を加熱するのに効果的であると判断されるモードを選択するように、選択することができる。しかし、固有モードが既知でない場合には、固有モードが識別されうる周波数帯域と、周波数帯域による励起信号の１つ又は複数の選択と、１つ又は複数の固有モードを保証するノイズ信号又はチャープ信号が励起される。
【００６０】
閉ループ制御の実施例では、同調された励起信号を用いて物体９２を振動させることができる。物体９２に誘導された実際の振動は、物体９２の固有モード解析の基礎のために測定される。この解析は、計算のためのハードウェア又はソフトウェア・ツールによって実行することができ、その結果は、サーモグラフィ・システム９０によって、物体９２の適切な振動を誘導する同調された又はエンベロープ励起信号の周波数、継続時間及び振幅などの制御特性を選択するのに用いられる。これらの特性は、テストの全体的な感度を制御し、物体９２を損傷するのに必要なレベルに対する震度によって物体９２において誘導された応力及び歪みのレベルを制御し、物体９２上の限定された領域又は関心領域を制御し、振動のほぼ均一な分布を達成し、又は、検査の対象である特定の欠陥を加熱するのに効率的であると判断されるモードを選択するために、選択される。
【００６１】
プラスティック及びそれ以外の物質の超音波溶接に秘匿用いられる圧電式コンバータを用いる超音波振動励起装置は、この技術分野において入手可能である。これらの装置は、トランスデューサ９４のために用いることができる。これらの装置の制御システムは、周波数、振幅、継続時間及び限定された領域を会しての接触力を変動させることができ、内部的に修正することが可能であり、あるいは、入力信号調整装置を追加することによって、可撓的な励起を可能にすることができる。例えば、圧電式、電磁気的、磁歪装置などコンパクトで低コストの超音波振動励起装置がこの技術分野において入手可能であり、これらは、信号発生に関する既知のトランスデューサの原理を用いてコンフィギュレーションにおいて可撓的（柔軟）な励起を可能にすることができる。そのような装置の例は、米国特許第６，２３２，７０１号及び米国特許第６，２７４，９６７号に開示されている。また、米国メリーランド州ゲイサーズバーグ（Gaithersburg）所在のウィルコックス・リサーチ（Wilcox Research）社の製造によるモデルＦ７−１圧電シェイカー・システムを使用することもできる。これらの装置は、任意の波形発生器、可撓性関数発生器、又はデジタル制御信号発生器などと組み合わせて、必要となる振動サーモグラフィ・システムのための可撓的励起信号を提供するようにプログラムすることができる適切なパワー増幅器及びマイクロプロセッサ・ベース又はコンピュータ・ベースの制御システムを提供する。
【００６２】
コンパクトで低コストの超音波振動励起装置は、複数の励起装置や別の実現例での励起装置のアレイの応用に役立つ。換言すると、トランスデューサ９４は、一連のトランスデューサ又は励起装置で置き換えることができる。励起モードをカスタマイズする追加的な可撓性も提供されうる。これは、例えば、周波数、継続時間及び振幅を含む励起装置特性と、選択された周波数又は周波数及び信号モードの組合せでノード及びアンチ・ノードなど固有モードの特徴とを組合せを選択することによってなされる。これにより、関心対象の選択された領域に対する検査結果と、物体９２における状況変化において指示される欠陥及び劣化のタイプとを最適化できる。これには、製造変動の結果や物体の加齢又は摩耗や物体９２の動作条件への露出に起因する劣化などがある。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のある実施例による欠陥検出システムのブロック図である。
【図２】図１に示された欠陥検出システムの一部の展開側面図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｄ）まであり、本発明による欠陥検出システムによって超音波励起がなされ熱画像化されたコンポーネントにおける解放クラックの所定の時間間隔での連続的な画像を示している。
【図４】本発明の別の実施例による、電磁気音響トランスデューサを用いた欠陥検出システムの平面図である。
【図５】４０ｋＨｚの励起パルスによって励起されたサンプルの振動応答を示す波形であり、波形は５つの領域ＡからＥまでに分割されている。
【図６】水平軸を周波数とし垂直軸を振幅として、図５に示されている波形の領域Ｄにおける音響カオスによって発生された周波数ピークを示すグラフである。
【図７】水平軸を周波数とし垂直軸を振幅として、図５に示されている波形の領域Ｅにおける音響カオスによって発生された周波数ピークを示すグラフである。
【図８】本発明の別の実施例による音響カオス欠陥検出システムのブロック図である。
【図９】本発明の別の実施例によるサーモグラフィ欠陥検出システムのブロック図であり、このシステムは、選択された周波数を有する可撓的な多重モード入力信号を提供して入力信号の周波数と振幅と継続時間とを制御することができる。
【図１０】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフであり、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と２１ｋＨｚを中心とする第２の周波数との２つの周波数を有している。
【図１１】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフであり、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と４０．５ｋＨｚを中心とする第２の周波数との２つの周波数を有している。
【図１２】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフであり、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と４１ｋＨｚを中心とする第２の周波数との２つの周波数を有している。
【図１３】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフであり、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と２１ｋＨｚを中心とする第２の周波数と２２ｋＨｚを中心とする第３の周波数との３つの周波数を有している。
【図１４】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、２０ｋＨｚを中心とするガウス周波数帯域である図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１５】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、上方向に掃引されるチャープ信号である図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１６】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、デジタル・シーケンスのランダム・パルスを有するシグナチュア信号である図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１７】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、２０ｋＨｚを中心とする矩形周波数帯域に基づく図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１８】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、最初にステップを有する増加する振幅を有する図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１９】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、それぞれが選択されたエンベロープ周波数ヲ有する２つのパルスを含む図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、広くは、物質における欠陥を検出するシステム及びそれに関連する方法に関し、更に詳しくは、物質における欠陥を検出するシステムであって、物質において音響カオスを生じさせる態様で音声エネルギを物質の中に結合する又は多重モードの可撓性励起信号を物質の中に結合するトランスデューサと、音響カオス又は可撓性励起の結果として物質に生じた熱を画像化する熱画像化カメラとを含むシステム及びそれに関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の構造の構造的一体性を維持することは、安全性への配慮、ダウンタイム、コストなどの理由から、多くの分野で非常に重要である。構造的一体性は、物質の欠陥によって損なわれるのが典型的であり、この欠陥には、構造の中に存在しうるクラック、層間剥離、ディスボンド（分離、disbonds）、腐食、含有物、空隙などがある。例えば、発電産業においては、タービン、発電機及びプラント装置の関連するバランスを検査し運転中にコンポーネント及びシステムが故障しないことを保証するための信頼性の高い技術を利用できることが非常に重要である。同様に、航空産業において、航空機の外装及び構造的なコンポーネントの構造的一体性を検査し飛行中に航空機が構造的な故障を生じないことを保証するための信頼性の高い技術を利用できることが非常に重要である。タービン・ブレード及びロータや車両のシリンダ・ヘッドの構造的一体性もまた、それぞれの産業において非常に重要である。クラックや欠陥を検出するもっとも一般的な方法は、熟練した人間による視覚的検査である。しかし、構造的コンポーネントの一体性に影響する可能性があるクラックや欠陥は、検査者を補助する特別の技術を用いなければ容易には見ることができないことがある。従って、この技術分野では、多くの産業における異なる構造的コンポーネントや物質を非侵襲的かつ非破壊的に解析するための様々な技術が開発されてきた。欠陥を探すために非侵襲的かつ非破壊的に物質を検査する既知の技術の１つに、染料の浸透物を用いて物質を処理し、その物質に存在しうる全てのクラック又は欠陥に染料が浸透するようにする、という技術がある。この場合、次に、物質を洗浄した後で、粉末を用いて処理し、クラックの中に残っている染料が粉末の中にしみ出させるのである。そして、紫外（ＵＶ）光源を用いて物質を検査し、染料の結果である蛍光を発する物質の位置を観察する。しかし、この技術は、検査者集約的かつ検査者依存的であるという短所を有する。というのは、蛍光を検査する者が熟練していなければならないからである。更に、線量は、隙間なく閉じているクラックや物質の表面にないクラックの中には浸透しないのである。
【０００３】
欠陥を探すためにコンポーネントを検査する既知の技術で第２のものでは、そのコンポーネントにおいて渦電流を誘導する電磁コイルを用いる。コイルをコンポーネントの周囲で移動させると、クラック又はそれ以外の欠陥の位置で渦電流パターンが変化し、これをオシロスコープで観察することができる。しかし、この技術は、非常にオペレータ集約的であって、極度に低速であり時間がかかるという短所がある。
【０００４】
コンポーネントにおける欠陥を検出する別の既知の技術では、コンポーネントの熱画像化を用いて欠陥を識別する。他の熱画像化技術では、フラッシュ・ランプやヒート・ガンなどの熱源を用いて、熱の平坦パルスをコンポーネントの表面に向ける。コンポーネントは熱を吸収し、赤外線波長の放射を放出する。ある種の欠陥があるとその欠陥の位置の表面温度は周囲の領域の表面温度とは異なる比率で低下する。熱又は赤外線画像化カメラを用いてコンポーネントを画像化して、結果的に生じる表面温度の変化を検出するのである。この技術はディスボンドと腐食との検出には成功したが、コンポーネントにおける垂直方向のクラックの検出については成功しないのが通常である。垂直方向のクラックとは、コンポーネントの表面に対して直角なクラックである。その理由は、疲労クラックは平坦熱パルスにはナイフ・エッジのように見えるため、そのようなクラックからは熱反射は全く又は最小限にしか生ぜず、熱画像において見るのは困難又は不可能であるからである。
【０００５】
物質における欠陥を検出する熱画像化は、物質の超音波励起を用いて熱を発生させるシステムにも拡張されている。音波がクラックやそれ以外の欠陥を含む固体の中を伝搬してその物質を振動させると、音響熱効果が生じる。クラックの両面は音波が通過するときに通常は同時に振動しないので、両面の間の摩擦などの散逸的現象により、振動エネルギの一部が熱に変換される。この熱効果を赤外線画像化と組み合わせることにより、非常に効率的な非破壊的なクラック検出システムを実現することができる。このような画像化システムは、一般に、ソニックＩＲ、サーモソニック。アコースティック・サーモグラフィなどとして文献に記載される。
【０００６】
Rantala, J.他による"Lock-in Thermography with Mechanical Loss Angle Heating at Ultrasonic Frequencies," Quantitative Infrared Thermography, Eurotherm Series 50, Edizioni Ets Piza 1997, pgs. 389-393には、そのような欠陥検出技術が開示されている。超音波がクラックの対向するエッジを相互に摩擦させることによりクラックを加熱させる。コンポーネントの損傷のない部分は超音波により最小限に加熱されるだけであるから、そのコンポーネントの結果的な熱画像は、暗い背景に対して明るい領域としてクラックを示すことになる。
【０００７】
２００１年５月２２日にThomas他に与えられ、この出願の譲受人に譲渡されている"Infrared Imaging of Ultrasonically Excited Subsurface Defects in Materials"と題する米国特許第６，２３６，０４９号には、超音波励起によってコンポーネントにおけるクラックやそれ以外の欠陥を検出する熱画像化システムが開示されている。超音波トランスデューサがコンポーネントに結合され、トランスデューサからの超音波エネルギが欠陥を加熱させ、その様子が熱カメラにより検出される。超音波エネルギは振幅がほぼ一定のパルスの形式を有している。制御ユニットを用いて、この超音波トランスデューサとカメラとの動作のためのタイミング及び制御機能が提供される。
【発明の開示】
【０００８】
本発明の教示によると、音エネルギによって加熱された構造における表面下クラック及びそれ以外の欠陥を熱画像化するシステム及び方法が開示される。トランスデューサなどの音源が音信号を構造の中に結合し、信号の中の音波が欠陥のエッジを相互に振動させ加熱させる。熱画像化カメラが、音源によって加熱されているときにその構造を画像化して、欠陥を識別する。
【０００９】
ある実施例では、音信号は、特定の構造に対して選択された周波数の組合せを含むことにより、その構造の固有モードの又はその付近の周波数が生じるようになっている。この実施例では、音源は、異なる周波数を中心とする信号とチャープ信号、パルス・エンベロープ信号などの組合せを発生して、音信号の周波数、振幅及び継続時間を変動させることができ、それにより、固有モードが、励起される、又は、可撓的な多重モード励起のために回避される。
【００１０】
別の実施例では、非線形結合物質などの結合物質が音源と構造との間に置かれ、音信号を構造に結合させる。所定の力が音源に加えられて、音源を構造に対して押しつけられる。この力と音信号のパルス継続時間及び周波数とは、音エネルギが構造において音響カオスを誘導するように選択され、構造においては、音響カオスが熱エネルギの発生を増加させる。構造の振動は、振動計又はマイクロフォンによって測定することができ、カオス周波数が存在しているかどうかが判断される。
【００１１】
本発明の更なる効果及び特徴は、以下の詳細な説明と冒頭の特許請求の範囲とを添付の図面を参照して読むことにより明らかになるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
構造における欠陥を検出する欠陥検出システムに向けられた本発明の実施例に関する以下の説明は、その性質として単なる例示であり、本発明又はその応答例若しくは使用を制限する意図は全くない。
【００１３】
図１は、本発明のある実施例による欠陥検出システム１０のブロック図である。システム１０は、コンポーネント１２においてクラック、腐食、層間剥離、ディスボンドなどの欠陥を検出するのに用いられる。コンポーネント１２は、壊滅的な故障を生じさせる可能性があるタイプの欠陥を含みうる、航空機の外装、タービン・ブレード、タービン・ロータ・発電機、車両のシリンダ・ヘッドなど、任意の構造的コンポーネント又は物質を表すものとする。強調しておきたいのは、コンポーネント１２は金属であることは必要でなく、セラミクスや複合材などそれ以外の物質であり得るということである。
【００１４】
システム１０は、ある超音波周波数帯域内の音信号を発生する超音波トランスデューサ１４を含む。超音波トランスデューサ１４は、音信号をコンポーネント１２に結合するホーン１８を含む。トランスデューサ１４は、本発明のサーモソニック・プロセスの目的に適した従来型のトランスデューサでよい。トランスデューサ１４は、圧電素子の使用により、電気パルスの機械的変位への変換を提供する。例えば、トランスデューサ１４は、正確な寸法に切断され結晶の切断寸法によって命じられる非常に狭い周波数で動作する圧電結晶のＰＺＴスタックを用いる。ＰＺＴスタックはホーン１８に機械的に結合され、ホーン１８の先端はコンポーネント１２に対して押しつけられる。この先端は、固定された寸法を有し可撓的ではないので、接触領域において、大きな接触領域及び圧力を示す。これは、コンポーネント１２の平坦でなく平滑でない表面によって更に影響を受ける。トランスデューサ１４は、また、米国特許第６，２３２，７０１号及び米国特許第６，２７４，９６７号に記載されたものや、米国メリーランド州ゲイサーズバーグ（Gaithersburg）所在のウィルコックス・リサーチ（Wilcox Research）社の製造によるモデルＦ７−１圧電シェイカー・システムなどの、調整可能な圧電機械式励起装置であり得る。
【００１５】
ある実施例では、トランスデューサ１４は、１秒の約半分の時間周期の間、約８００ワットの電力レベルで、約４０ｋＨｚの周波数を有する超音波エネルギのパルスを発生する。しかし、この技術分野の当業者であれば理解するように、本発明の範囲の中で、他の超音波又は音周波数、電力レベル及びパルスの継続時間を用いることが可能である。トランスデューサ１４は、超音波溶接トランスデューサを駆動する８００Ｗのブランソン４０ｋＨｚ電源であり得る。
【００１６】
トランスデューサ１４からの超音波エネルギは、機械的カプラ１６を介してコンポーネント１２の中に結合される。カプラ１６は、トランスデューサのホーン１８とコンポーネント１２の前面２０とに機械的に接触している。図２は、カプラ１６及びコンポーネント１２と接触しているホーン１８を示す分解された側面図である。ある実施例では、カプラ１６は、自動車のガスケット物質、皮革、ダクト・テープ、コルク、テフロン（登録商標）、紙などの非線形カプラであり、音響エネルギの結果としてコンポーネント１２の中の欠陥の周囲に後で論じる音響カオスを生じさせる。他の実施例では、カプラ１６は、銅などの柔らかい金属の薄片であり、超音波エネルギをコンポーネント１２の中に効率的に結合することができる。しかし、注意すべきことであるが、応用例によっては、カプラ１６は必要とされずに、しかし、依然として音響カオスを提供するということである。任意の適切な道具（図示せず）によって力２６をトランスデューサ１４に与えてホーン１８をカプラ１６及びコンポーネント１２とに対して押しつけることもできる。トランスデューサ１４に加えられる力の大きさを選択することにより、コンポーネント１２の中での音響カオスの発生を増加させることができる。
【００１７】
検出システム１０は、図示されているように、コンポーネント１２から所定の距離だけ離間させた熱画像化カメラ２２を含む。カメラ２２は、コンポーネント１２の超音波励起と共に、コンポーネント１２の画像を発生する。カメラ２２は、１枚の画像において希望するコンポーネント１２の画像を提供するのに適した任意の距離だけコンポーネント１２の背面から離間させ、所望の解像度で複数の欠陥を同時に検出することができる。他の実施例では、トランスデューサ１４からの超音波エネルギとカメラ２２によって発生された画像とは、コンポーネント１２の同じ側に、又は、コンポーネント１２の任意の側に提供されうる。熱カメラ２２は、ここで述べている目的に適した任意のカメラでよい。例えば、レイセオン（Raytheon）社から入手可能なレイディアンス（Radiance）ＨＳカメラや、インディゴ・システムズ（Indigo Systems）社のフィニックス（Phoenix）ＩＲカメラなどである。ある実施例では、カメラ２２は、３−５ミクロンの波長範囲の赤外線放射を感知して、毎秒１００フレームで画像を発生する。カメラ２２は、２５６ｘ２５６ＩｎＳｂのピクセルを有し所望の解像度を生じる焦平面アレイを含む。
【００１８】
コントローラ３０は、トランスデューサ１４とカメラ２２との間のタイミングを提供する。コントローラ３０は、ここで述べている目的に適する任意のコンピュータでよい。検出プロセスが開始されると、コントローラ３０は、カメラ２２に、所定の速度でコンポーネント１２のシーケンシャルな画像の撮影を開始させる。画像のシーケンスがいったん開始すると、コントローラ３０は、信号を電力増幅器３２に送って、増幅器３２にパルスをトランスデューサ１４に送らせてパルス化された超音波信号を生じさせる。超音波エネルギは、所望の周波数を有する単純なパルスの形式である。画像は、カメラ２２によって発生され、コンポーネント１２の画像を表示するモニタ３４に送られる。画像は、また、希望する場合には別の場所で見るために記憶装置３６に送ることもできる。
【００１９】
コンポーネント１２に与えられた超音波エネルギは、コンポーネント１２におけるクラック及びそれ以外の欠陥の面を相互に摩擦させ熱を生じさせる。システム１０において適切なパラメータを提供することにより、既に論じたように、音響カオスがコンポーネント１２において生じて、欠陥の加熱を促進する。カメラ２２によって発生される画像では、熱は、明るいスポットとして現れる。従って、システム１０は、非常に小さな狭い間隔で閉じているクラックを識別するのに優れている。クラックの両面が接触しないような開いたクラックの場合には、熱は、クラックの先端の応力集中点において発生される。この点は、画像では明るいスポットとして現れ、開いたクラックの端部又は先端を示す。超音波エネルギは、エネルギ・パルスに対するクラックの向きとは無関係にコンポーネント１２におけるクラック又は欠陥を加熱するのに効果的である。カメラ２２は、コンポーネント１２の表面の画像を撮影し、コンポーネント１２の厚さの中でクラックがどの位置にあるのかとは関係なくコンポーネント１２の中の任意のクラックの視覚的指示を提供する。
【００２０】
より詳細には後述するが、トランスデューサ１４からの超音波エネルギは、コンポーネント１２に音響カオスを発生する。音響カオスは、コンポーネント１２の振動を測定してカオス周波数を決定することによって測定することができる。ある実施例では、ポリテク（Polytec）ＰＩＯＦＶ−５１１シングル・ファイバ・ドップラ・レーザ振動計などの振動計２８を用いて、コンポーネント１２の振動を測定することができる。振動計２８は、コンポーネント１２の方向に光ビームを放射し、コンポーネントからの光の反射が振動計に受け取られる。光信号のコンポーネント１２への及びコンポーネント１２からの移動時間により、コンポーネント１２が振動計２８にどのくらい近くにあるかを、そして、その振動を決定する。振動計２８は、ドップラ効果と適切なアルゴリズムとを用いて振動周波数を計算する。振動計２８によってなされる測定は、コントローラ３０に送られ、モニタ３４上で周波数信号として表示される。コントローラ３０は、振動計２８からの信号をフーリエ変換して、振動スペクトルに時間依存する周波数信号を発生する。ある実施例では、振動計２８は、２．５６ＭＨｚまでのデジタル化速度を有し、それにより、約１．２ＭＨｚまでの振動周波数を決定することができる。注意すべきであるが、振動計２８は、コンポーネント１２に対して法線方向に向けられている必要はない。
【００２１】
別の実施例では、振動計２８は、トランスデューサ１４が超音波パルスを放射するときに可聴周波数又はホーンの「叫び声（スクリーチ）」を単純に測定するマイクロフォンによって代替することができる。ホーンのスクリーチ自体は、コンポーネント１２において音響カオスが生じていることを示すものであると考えられる。マイクロフォンが受け取る信号は、また、コントローラに送られモニタ３４上に表示される。
【００２２】
ここで論じているコンポーネントにおけるクラックを画像化するプロセスを図解するため、図３（ａ）から図３（ｄ）は、構造４２における開いた疲労クラック４０の４つのシーケンシャルな画像３８を示している。図３（ａ）は、超音波エネルギが加えられる前の構造４２の画像３８を示している。図３（ｂ）は、超音波エネルギが加えられてから約１４ｍｓ後の構造４２の画像３８を示している。明らかなように、明るい（温度が高い）スポット４４（暗い領域としてスケッチされている）が、クラック４０の閉じた端部に現れており、その場所では機械的な振動が熱を生じさせているのである。図３（ｃ）及び３（ｄ）は、それぞれ、約６４ｍｓ及び１１４ｍｓ後の時点における後の画像３８を示している。画像３８上の明るいスポット４４は、このシーケンスでは劇的に増加しており、クラック４０の位置を明確に指示している。
【００２３】
本発明の別の実施例によると、トランスデューサ１４を、電磁気的音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）によって代替することが可能である。この目的に用いられるＥＭＡＴは、Thomas他に与えられ、ウェイン州立大学とジーメンス・ウェスティングハウス・パワー・コーポレーションに譲渡された米国特許第６，３９９，９４８号に開示されている。この米国特許は、この出願において援用する。
【００２４】
ＥＭＡＴは、試験対象の物体において静磁場を生じさせる永久磁石又は電磁石を含む。提供される電磁石は、時間と共に変動する電流によって付勢されて試験対象の物体の表面の上とすぐ下とに渦電流を発生するものである。この渦電流が静磁場と相互作用をして、物体内の自由電子に対して作用するローレンツ力を生じさせ、それにより、静磁場の方向と局所的な渦電流と尼僧後に垂直な方向に、物体内のイオンとの衝突を誘導する。この相互作用により、物体の中の不連続点から反射され欠陥を識別する様々な分極を有する音波を生じさせる。本発明では、これらの音波が、欠陥の位置に熱を生じさせる。音波は様々な形態で存在するのであって、限定列挙ではないが、シア（sheer）波、表面波、平面波、レイリー波、ラム波などを含む。この出願で論じられている音響カオスを生じさせるためには、ＥＭＡＴは、特定の共振周波数に同調させることはできず、ブロードバンドであるべきである。
【００２５】
本発明のこの実施例を図解するために、図４は、上述したタイプのＥＭＡＴ５２を用いる欠陥検出システム５０の分解された全体図である。ＥＭＡＴ５２は、タービン・エンジンの内部のタービン・ブレード５４に接するように配置されているのであるが、欠陥を検出される任意の適切な部分でありうる。長いケーブル５６が、ＥＭＡＴ５２と、上述したコントローラ３０のようなコントローラ（図示せず）とに結合される。ケーブル５６は、永久磁石６０の周囲を包囲しているコイル５８を含む。コイル５８に与えられたケーブル５６上のＡＣ電圧信号により、渦電流が、タービン・ブレード５４において永久磁石６０によって発生される静磁場と相互作用をする。渦電流と静磁場との間の相互作用により、音波及び超音波が生じて、これにより、ブレード５４におけるクラック６４又はそれ以外の欠陥の面が相互に摩擦して熱放射６４を生じる。放射収集装置６６が、カメラ２２のような適切な赤外線カメラ（図示せず）に結合され、画像を提供する。
【００２６】
結合物質が、永久磁石６０とタービン・ブレード５４との間に提供され、ＥＭＡＴ５２からの電磁エネルギをタービン・ブレード５４の中に効果的に結合させる。この結合物質は、磁石６０の永久構造の一部であり、システム５０をタービン・エンジンの内部での遠隔検出に最寄り適用可能とすることができる。ＥＭＡＴ５２はブロードバンドとすることができるから、カオスは、後述する電気的に発生されたカオス信号を印加することによって、タービン・ブレード５４において、生じさせることができる。
【００２７】
本発明によると、音響カオスは、コンポーネント１２において生じて、音響カオスが存在しない場合よりも上のレベルまでコンポーネント１２の欠陥における熱エネルギの量を増加させるように作用する。音響カオスとは、この出願では、スペクトル周波数が励起周波数（ここでは、４０ＫＨｚ）と有理数の比率によって関係付けられている振動波形を提供する周波数の範囲として定義される。音響カオスと関連する周波数は、励起周波数よりも低い場合も高い場合もありうる。音響カオスは、数学的関係としてモデル化が可能であり、多くの文献がある。その一例として、Rasband, S. Neil他による”Chaotic Dynamics of Non-Linear Systems”（１９９０）がある。
【００２８】
コンポーネント１２において音響カオスを生じさせるには、トランスデューサ１４に加えられる力２６と、カプラ１６の材料と、カプラ１６の厚さと、音響入力パルスの周波数と、音響入力パルスの継続時間との正しい組合せが提供されなければならない。４０ｋＨｚの音響パルスは、通常の成人の聴力を超えている。しかし、カメラ２２からの最良の画質は、音響サウンドすなわち「ホーン・スクリーチ」が感知されたときであることが観察されている。この可聴のスクリーチの存在は、通常は、ホーン１８とコンポーネント１２との間の結合における非線形性に起因するとされる。しかし、このホーン・スクリーチは、音響カオスの開始の結果である非調和周波数の結果として、又は、音響カオスに先立つ擬似カオス的な条件から生じる。
【００２９】
非線形特性を示す様々な物質が、カプラ１６には適している。カプラ１６は、ホーン１８をコンポーネント１２と接する位置に保持し密着した接触を提供するためにトランスデューサ１４に加えられる力２６によって圧縮される。しかし、トランスデューサ１４に加えた力の量が、所望のスクリーチすなわちより高品質の画像を得るために重要である。力が弱すぎると、コンポーネント１２には非常に僅かな音だけが結合される。力が強すぎても、同じ効果が生じてしまう。スクリーチを生じさせるのに必要な力の正確な量は、音を注入するのに用いられる特定の音響ホーンに依存する。というのは、異なるホーンは異なる振動振幅を有するからであると考えられる。従って、振動振幅と加えられる力との特定の組合せが、スクリーチの発生には重要である。
【００３０】
適切な力がホーン１８に加えられることによって、ホーン１８の先端が、入力パルスの音響周期の負の半分の間にコンポーネント１２の表面から反動することが可能となる。そのような反動が生じると、コンポーネント１２への入力は、正弦波であるよりも、超音波入力周波数における一連の間隔が等しいキック又はバンプである可能性が大きい。キックされているシステムが自然共振を有するときは、これらの共振の中の１つ又は複数が、キッスによって励起される。一連の規則的な間隔のキックを受ける共振システムの数学的問題の解は、上で引用した書物において見つけることができる。ｎ番目のキックの後での解は次の方程式によって与えられる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ただし、ここで、係数Ａｎ及びＢｎは次の式によって与えられる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
【数３】
【００３５】
ここで、Ｃはキックの強さであり、ωは発振器の自然周波数であり、Ω＝（２π／τ）は角「キッキング」周波数である。ω／Ωが有理数である場合には、上述の方程式は周期的であり、共振が存在する可能性がある。
【００３６】
ここで論じている超音波信号の印加の結果としてコンポーネント１２に生じる音響カオスを更に研究するには、コンポーネント１２の振動応答画像を、例えば、振動計２８を用いて得ることができる。図５は、水平軸が時間で垂直軸が振幅であって、入力パルスの継続時間の間に振動計によって感知された波形を示すグラフである。この波形は、５つのＡからＥまでの５つの領域に分割されている。別個の領域ＡからＥのそれぞれは、フーリエ解析されてあり、領域Ａのフーリエ解析は純粋な４０ｋＨｚのサンプル振動を示す。領域Ｂにおける「バンプ」は、振動の振る舞いの定性的な変化を示唆している。実際、解析によると、１６０ｋＨｚまでの２０ｋＨｚすべての整数倍と共に、の２０ｋＨｚにおける強い低調波信号の存在が示されるが、追加的な測定可能な周波数は存在しない。領域Ｂにおける「バンプ」に続いて、領域Ｃは長い領域でありここではフーリエ解析によっても低調波の存在は示されない。しかし、２００ｋＨｚまでの４０ｋＨｚのすべての整数倍が存在する。従って、代書の３つの領域であるＡからＣでは、可聴周波数は存在しない。
【００３７】
領域Ｄ及び領域Ｅにおいて波形及びそのスペクトルの劇的な変化が生じ、これは、可聴的な「スクリーチ」の開始に対応する。図６は、水平軸が周波数で垂直軸が振幅であり、領域Ｄのフーリエ変換のスペクトルのグラフである。明らかなように、領域Ｄは、多数の小さな識別されていない周波数と共に、基本周波数（４０ｋＨｚ）の１／１１の整数倍である一連の周波数を含んでいる。
【００３８】
領域Ｅでは、波形の別の劇的な変化が生じており、図７に示されているように、フーリエ変換により、基本周波数（４０ｋＨｚ）の１／１３の整数倍の一連の周波数が生じている。より典型的な波形では、多くのそのようなシーケンスの混合物が存在していて、半分、３分の１、４分の１、５分の１、７分の１、８分の１、９分の１、１１分の１、１３分の１、２４分の１などの分数が存在している。振幅が増加すると、これらの波形の多くにおいて、明確な変化がシーケンスの間に存在している。振幅と波形の複雑性とが大きくなるのに関連して、画像に示されているように、加熱の明らかな増加がある。同じ現象は、異なる電源、トランスデューサ、基本周波数なとを用いても観察された。
【００３９】
振動するにおける非常に多くの周波数の存在は、方程式（１）−（３）において記述されているように、擬似カオス的な励起の明らかな証拠である。方程式（１）−（３）は、別の周期的システムによって「キックされた」調和振動子に基づいて得られたものである。この現象は、単純な平面の場合にだけでなく、タービン・エンジンのファン・ディスクのような非常に大きく複雑な形状の物体の倍にも観察されている。従って、ここで論じている共振システムは実際に音響ホーン及びそれに関連する電子装置であり、ホーンがサンプルを「キックしている」と考えるのではなく、サンプルがホーンを「キックしている」と考える方が示唆的であると思われる。
【００４０】
図８は、欠陥を有する又は有しない検査対象の物体７２において音響カオスを生じさせる欠陥検出システム７０のブロック図である。物体７２は、上述した熱画像化カメラ（図示せず）によって画像化され、欠陥が存在するかどうかが判断される。この実施例では、カオス信号は、上述した音響ホーンに加えられた力、結合物質、カプラの厚さ並びに励起パルスの周波数及び継続時間などに依存するのではなく、電子カオス信号発生器７４によって発生される。カオス信号発生器７４は、この出願で論じられているタイプのカオス信号を発生する任意の装置でよい。一般に、発生器７４は、カオス的な音の特別な周波数成分をすべて有する電気波形を作成する非線形回路素子を含む。あるいは、カオス信号は、デジタル・コンピュータによってデジタル的に発生させることもできる。
【００４１】
発生器７４によって発生されたカオス信号は、その信号を増幅するパワー増幅器７６に与えられる。増幅されたカオス信号は、ブロードバンド・トランスデューサ７８に与えられる。この信号は、カプラ８０を会して物体７２の中に結合されたトランスデューサ７８において音信号を発生する。トランスデューサ７８に与えられた信号は、既にカオス的であるから、トランスデューサ７８によって物体７２の中に線形に結合することができる。トランスデューサ７８からの音響信号は、このようにして、物体７２において音響カオスを誘導し、物体７２の中の欠陥の加熱を増加させる。
【００４２】
本発明の別の実施例によると、サーモグラフィ欠陥検出システムが、複数の周波数にわたる超音波励起信号を用いて検査される物体を励起し、物体の中にあるクラック又はクラックのような欠陥の位置において熱を生じさせ、それを赤外線カメラによって検出できるようにする。物体は、金属、セラミクス、プラスチック、ガラス、コーティングされた金属、金属マトリクス混合物、セラミクス・マトリクス混合物、ポリマ・マトリクス混合物など、固体物質で構成される任意のものである。
【００４３】
この技術分野において知られているように、弾性体には、固有モードと固有周波数とが存在するのであるが、これらは、物体の幾何学的構成、弾性的な性質、固定物におけるクランピングなど追加的な境界条件、そして、物体において振動を生じさせる技術などによって定義される。物体の固有モードは、振動が与えられた物体の中の場所に共振が生じる周波数を定義する。従って、物体における局所的な振動振幅と、これによる欠陥の検出可能性とは、励起信号の励起周波数、振幅及び継続時間に著しく依存する。物体の固有モードにおける又はそれに近い周波数を有する励起信号は、結果的に、物体における振動振幅の著しい増加を生じさせる。工業製品のコンポーネントの固有モードを知るのは容易ではないし、それは、コンポーネントの幾何学的構成、弾性的な性質及び境界条件が僅かに変化しただけで、ときには非線形的に変化するので、単一の周波数、振幅及び継続時間の励起信号を用いても、予期しない振動の結果が生じる場合がある。結果における実質的な変動は、所定の周波数、振幅及び継続時間における１つ又は複数のパルスを放射する震動源を用いた場合にも観測されている。
【００４４】
ある組の周波数又は変化する周波数を用いて物体を刺激するのは、その物体の複数の固有モードを励起させることができ、従って、振動振幅の分布がより均一化するすなわちノードを回避できるので、好ましい。特に、対応する周波数とモード・パターンとに属する異なる歪み振幅を組み合わせると、十分に高い振幅の歪みと、欠陥が検出される物体の任意の位置における十分な数のサイクルとが生じる。これは、異なるモード・パターンを異なる自然周波数と組み合わせることによって行うことができる。周波数を選択する可能性は、物体特にその薄い箇所を損傷する可能性がある特別の固有モードが存在する場合に役に立つ。励起信号は、このような周波数を回避するように同調又は調節することができる。
【００４５】
図９は、この出願において一般的に論じられているタイプの物体９２において欠陥を検出するサーモグラフィ欠陥検出システムのブロック図である。このサーモグラフィ・システム９０は、ある種の定義された周波数パターンで音エネルギを物体９２の中に結合させるホーン９６を有する超音波トランスデューサ９４を含む。他の実施例では、ホーン９６は、後述するように、ブロードバンド・トランスデューサで代替することができる。トランスデューサ９４は、トランスデューサ１４と同じものでもよいし、この出願での議論と矛盾しない別の適切な音響装置でもよい。例えば、トランスデューサ９４は、所望の周波数パターンを提供する圧電式、電磁気的又は磁歪素子でもかまわない。後述するように、物体９２に結合された音エネルギは、物体９２の中の欠陥（クラック）を加熱するパルス化された周波数信号の形式を有する。赤外線カメラ９８は、加熱され物体において識別される欠陥を画像化する。
【００４６】
コントローラ１００は、システム９０の動作を制御して、トランスデューサ９４とカメラ９８との間のタイミングを提供する。コントローラ１００は、所望のパルス速度、パルス継続時間、周波数、エンベロープの形状などを有し様々な実施例に関してこの出願での議論と矛盾しない信号をトランスデューサ９４に提供する信号整形器１０２を制御する。システム９０は、また、物体に接するように配置され励起信号によって励起されたときに物体９２の内部の振動モード及びパターンを聴く振動センサ１０４も含む。振動センサ１０４は、この出願で論じられている目的に適した任意のセンサでよい。例えば、加速度計、渦電流ベースの振動センサ、光振動センサ、マイクロフォン、超音波トランスデューサ、超音波振動センサなどである。センサ１０４は、振動パターンを示す信号をコントローラ１００に提供することにより、コントローラ１００は、励起信号によってどのような振動が物体９２の中に誘導されているのかを知ることになる。コンピュータ１００は、次に、この情報を用いて信号整形器１０２に与えた信号を変更し、トランスデューサ９４から物体９２に与えられた励起信号を変動させ、欠陥をよりよく加熱するために、物体９２の中の異なっていておそらくはより好ましい振動パターンを得る。
【００４７】
ある実施例では、トランスデューサ９４は、異なる中心周波数に同調されている周波数又は比較的大きな周波数帯域を有するブロードバンド信号を提供することができるブロードバンド・トランスデューサである。このブロードバンド・トランスデューサ９４は、異なる周波数を中心とする信号をシーケンシャルに又は同時に提供することができる。これらの周波数は、増加する態様で又は減少する態様で、ランダムに、上方向に掃引されて、下方向に掃引されて、ランダムな掃引で提供することができる。複数の周波数帯域を提供することにより、物体９２の中で、動作のないすなわち付勢されていない領域をなくすことができる。また、励起信号は、周波数が時間と共に変化するチャープ信号でもありうる。
【００４８】
あるいは、システム９０は、異なるナローバンドの中心周波数に同調させた複数のトランスデューサを用いて、周波数が異なる複数の励起信号を用いて物体９２を励起することができる。このように、システム９０は、音励起信号を物体９２の中に結合する第２のトランスデューサ１０６を用いることもできる。この場合、トランスデューサ９４及び１０６は、異なるバローバンド周波数に同調される。更に、システム９０は、トランスデューサのアレイを用いることもできる。コントローラ１００はトランスデューサ９４及び１０６からの励起信号のタイミングを制御し、信号整形器１０２はトランスデューサ９４及び１０６によって発生された信号の形状を定義して物体９２の内部において所望の振動を得る。もちろん、システム９０は、３以上の周波数入力信号に対して３以上のトランスデューサを用いることもできる。
【００４９】
トランスデューサ９４、コントローラ１００及び信号整形器１０２の中の１つ又は複数に対して用いることができ音及び超音波信号信号を提供するる可撓的な励起システムが、この技術分野において知られている。これらのシステムは、適切な任意の波形発生器、増幅器、コンバータ及び周波数パターンを発生するそれ以外の関連する装置を含む。これらのシステムによれば、連続的な信号の適切な混合や、連続的な信号とパルス信号との組合せによって、又は、連続的な信号の振幅の特定の制御によって、選択的な周波数コンテンツ及び振幅特性で構成される任意の又は特定の設計の波形の作成が可能になる。従って、パルス・エンベロープ及び周波数特性の任意の形状を作成することができる。これらの任意の形状は、デジタル・コンピュータやデジタル整形器によってデジタル的に発生させることも可能である。更に、システム成分は、動的に駆動され、それによって、振動センサや加速度計などからの追加的な入力に基づく振幅及び周波数の制御が可能になる。
【００５０】
図１０ないし図１８は、様々な応用例について様々な周波数特性を有し物体９２に与えることができる様々な励起信号を示すグラフである。既に述べたように、トランスデューサ９４からの様々な励起信号は、物体９２における固有モードを励起する又はそれを回避して、物体９２における欠陥の加熱を増加又は強化することを意図している。図１０ないし図１３は、２ｍｓの時間フレームでの励起信号の一部を示している。図１５は、４ｍｓの時間フレームでの励起信号の一部を示している。これらのタイプの信号に対する励起信号の典型的な継続時間は、約１秒である。図１４及び図１６−１９は、励起信号の全体を示している。
【００５１】
図１０は、２０ｋＨｚと２１ｋＨｚとを中心とする２つの周波数の組合せである励起信号パルスを示している。図１１は、２０ｋＨｚと４０．５ｋＨｚとを中心とする２つの周波数の組合せである励起信号パルスを示している。図１２は、２０ｋＨｚと４１ｋＨｚとを中心とする２つの周波数の組合せである励起信号パルスを示している。図１３は、２０ｋＨｚと２１ｋＨｚと２２ｋＨｚとを中心とする３つの周波数の組合せである励起信号パルスを示している。図１４は、２０ｋＨｚの周囲のガウス周波数帯域である励起信号パルスを示している。図１５は、上方向の周波数掃引を有するチャープ信号である励起信号を示している。図１６は、励起信号をオン及びオフに切り換えるデジタル・シーケンス（１，０，１，０，０，１，１，１，０，０，１，１，・・・）のランダム・パルスの組によっ定義されたシグナチュア信号である励起信号を示している。ただし、ここには、全体の励起信号が示されている。パルスのランダムな組が感知された赤外線信号に転送され復号化されてＳＮ比を改善する。図１７は、２０ｋＨｚの周囲の矩形周波数帯域に基づく励起信号を示している。ただし、ここには、全体の励起信号が示されている。
【００５２】
図１８は、開始時にステップを有する増加する振幅を有する励起信号を示している。ただし、ここには、全体の励起信号が示されている。誘導された振動がトランスデューサ９４の一定でない過渡的な応答、トランスデューサ９４の不安定な結合、不安定なクランピング条件などの場合にコントローラによって一定に維持されなければならない、又は、指数関数的な減少など励起信号のある種の特性が意図されている場合には、振幅の変動は上昇する。図１９は、選択されたエンベロープ周波数を有する２つのパルスの組である励起信号を示している。第１のパルスの幅は小さく、その結果、表面欠陥の検出に適した小さな熱拡散長が生じる。第２のパルスはそれよりもかなり幅が広く、結果的に、表面下の欠陥に適したより大きな拡散長が生じる。
【００５３】
本発明によると、物体９２の様々な特徴を調べることができるが、それには、振動モードの調査、同調された検査の実行、励起信号のエンベロープの振動（強度変調）などが含まれる。振動モードの調査は、物体９２の固有モードの自然周波数及び空間的パターンの決定のために、入力の周波数掃引を実行することを含む。物体９２の測定の方法は、追加的なセンサを用いての、電圧と電流との間の位相シフト、実効電力又は振動振幅の測定を含む。
【００５４】
同調された検査の実行には、励起信号の周波数の変動を提供することができる。周波数のこのような変動には、周波数の組を用いた物体９２の励起と、周波数帯域を用いた物体９２の励起と、既存の固有モードの範囲内の周波数帯域を含むノイズ信号を用いた物体９２の励起と、チャープ信号を用いた物体９２の励起とが含まれる。チャープ信号の反復は、励起信号の周波数を固有モードが存在する定義された帯域の中で上下に反復的に掃引することによって可能である。励起信号の振幅の同調された検査の実行は、励起信号にステップ状の又は変動する振幅パルス又はパルスの組を提供する、物体９２の励起に掃引の態様によりローからハイへ又はハイからローへ連続的に変動する振幅を提供する、又は、物体９２の励起に循環的に振幅の態様で連続的に変化する振幅を提供することを含む。更に、物体９２の固有モードに基づく信号エネルギ入力の位置を変動させることができる。
【００５５】
励起信号のエンベロープの変動のために、励起信号は、図１６に関して上述した赤外線応答の中のシグナチュアの認識のように、エンベロープの特別なシグナチュアを有することがありうる。また、欠陥の深さや物体９２の熱特性への適応を含むエンベロープの特別な周波数を選択する信号の励起は、図１９に関して上述したように、提供することができる。強度変調のこれらの周波数は、典型的には、図１９に示されているように、音周波数よりも数オーダー分だけ大きさが劣るのが通常である。また、動作レンジの中で周波数を変動させる励起信号を提供することが可能であるし、又は、市販されている超音波溶接装置を様々な方法で用いることができる。励起信号の周波数は、そのレンジにおいて、ローからハイの周波数へ変動又は掃引することができる。あるいは、励起信号の周波数は、ローからハイへ及びハイからローへ循環的に変動させることができるし、周波数変調の態様で複数回反復させることができる。
【００５６】
励起信号は、物体９２に転送される振動エネルギを一定に維持することができ、よって、追加的な振動センサを用いて振動振幅の測定の基づいて、又は、物体９２のＩＲ応答を用いた又は基準サンプルからの励起信号に基づいて、結合及びクランピング条件の変化を均衡させる。励起信号は、定常的に増加する振幅を有することができ、これは、損傷が予想されるレベルの下で停止する又は結果的に一定に維持される。信号の開始は、ゼロ振幅又は安全振幅においてでなければならない。
【００５７】
本発明の別の実施例によると、一連のＮ個の励起を用いた欠陥検出テストの変形例が与えられる。ここでＮは、１よりも大きく、予め選択された又は自動的に選択された励起パルスの数である。１からＮまでの励起パルスのそれぞれは、予め選択された周波数、振幅及び継続時間から構成され、励起１から励起Ｎまで、それぞれの励起感覚の間に物体９２において異なる固有モードの振動を生じさせる。赤外線又は熱画像化は、Ｎショットの周期全体の間アクティブなままで維持され、それによって、ある種の変化する振動条件に適した欠陥加熱イベントがテスト・シーケンスの全体で積分又は平均化することができる。
【００５８】
可撓的な励起技術は、クラック位置における局所的な加熱を生じさせ、非線形の振動モード変化の間の過剰な振動から生じうる物体９２の任意の加熱を最小化させる最適振動モードの機会を最大化する。欠陥位置からの加熱の最大化と物体９２の任意の又は一般的な加熱の最小化とのこのような組合せにより、ＳＮ比を向上させることができ、欠陥の位置の識別に役立つ。
【００５９】
システム９０は、開ループ又は閉ループ制御に向けて設計することができる。開ループ制御の実施例では、同調されたエンベロープの励起信号を用いて、物体９２の固有モード解析に基づいて、すなわち、解析的又は経験的測定方法によって、物体９２における振動を生じさせることができる。所定の固有モードは、信号オプションの特性と比較して評価され、システムのテスト・サイクルで用いられるために、１つのオプションが選択される。同調された又はエンベロープ励起信号の周波数、継続時間及び振幅という特性は、全体のテストの感度を制御し、物体９２を損傷させるのに要求されるレベルに対する振動によって物体９２に誘導される応力及び歪みのレベルを制御し、物体９２における制限された領域又は関心対象の領域を制御し、振動のほぼ均一な配分を達成し、検査のための関心対象の特定の欠陥を加熱するのに効果的であると判断されるモードを選択するように、選択することができる。しかし、固有モードが既知でない場合には、固有モードが識別されうる周波数帯域と、周波数帯域による励起信号の１つ又は複数の選択と、１つ又は複数の固有モードを保証するノイズ信号又はチャープ信号が励起される。
【００６０】
閉ループ制御の実施例では、同調された励起信号を用いて物体９２を振動させることができる。物体９２に誘導された実際の振動は、物体９２の固有モード解析の基礎のために測定される。この解析は、計算のためのハードウェア又はソフトウェア・ツールによって実行することができ、その結果は、サーモグラフィ・システム９０によって、物体９２の適切な振動を誘導する同調された又はエンベロープ励起信号の周波数、継続時間及び振幅などの制御特性を選択するのに用いられる。これらの特性は、テストの全体的な感度を制御し、物体９２を損傷するのに必要なレベルに対する震度によって物体９２において誘導された応力及び歪みのレベルを制御し、物体９２上の限定された領域又は関心領域を制御し、振動のほぼ均一な分布を達成し、又は、検査の対象である特定の欠陥を加熱するのに効率的であると判断されるモードを選択するために、選択される。
【００６１】
プラスティック及びそれ以外の物質の超音波溶接に秘匿用いられる圧電式コンバータを用いる超音波振動励起装置は、この技術分野において入手可能である。これらの装置は、トランスデューサ９４のために用いることができる。これらの装置の制御システムは、周波数、振幅、継続時間及び限定された領域を会しての接触力を変動させることができ、内部的に修正することが可能であり、あるいは、入力信号調整装置を追加することによって、可撓的な励起を可能にすることができる。例えば、圧電式、電磁気的、磁歪装置などコンパクトで低コストの超音波振動励起装置がこの技術分野において入手可能であり、これらは、信号発生に関する既知のトランスデューサの原理を用いてコンフィギュレーションにおいて可撓的（柔軟）な励起を可能にすることができる。そのような装置の例は、米国特許第６，２３２，７０１号及び米国特許第６，２７４，９６７号に開示されている。また、米国メリーランド州ゲイサーズバーグ（Gaithersburg）所在のウィルコックス・リサーチ（Wilcox Research）社の製造によるモデルＦ７−１圧電シェイカー・システムを使用することもできる。これらの装置は、任意の波形発生器、可撓性関数発生器、又はデジタル制御信号発生器などと組み合わせて、必要となる振動サーモグラフィ・システムのための可撓的励起信号を提供するようにプログラムすることができる適切なパワー増幅器及びマイクロプロセッサ・ベース又はコンピュータ・ベースの制御システムを提供する。
【００６２】
コンパクトで低コストの超音波振動励起装置は、複数の励起装置や別の実現例での励起装置のアレイの応用に役立つ。換言すると、トランスデューサ９４は、一連のトランスデューサ又は励起装置で置き換えることができる。励起モードをカスタマイズする追加的な可撓性も提供されうる。これは、例えば、周波数、継続時間及び振幅を含む励起装置特性と、選択された周波数又は周波数及び信号モードの組合せでノード及びアンチ・ノードなど固有モードの特徴とを組合せを選択することによってなされる。これにより、関心対象の選択された領域に対する検査結果と、物体９２における状況変化において指示される欠陥及び劣化のタイプとを最適化できる。これには、製造変動の結果や物体の加齢又は摩耗や物体９２の動作条件への露出に起因する劣化などがある。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のある実施例による欠陥検出システムのブロック図である。
【図２】図１に示された欠陥検出システムの一部の展開側面図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｄ）まであり、本発明による欠陥検出システムによって超音波励起がなされ熱画像化されたコンポーネントにおける解放クラックの所定の時間間隔での連続的な画像を示している。
【図４】本発明の別の実施例による、電磁気音響トランスデューサを用いた欠陥検出システムの平面図である。
【図５】４０ｋＨｚの励起パルスによって励起されたサンプルの振動応答を示す波形であり、波形は５つの領域ＡからＥまでに分割されている。
【図６】水平軸を周波数とし垂直軸を振幅として、図５に示されている波形の領域Ｄにおける音響カオスによって発生された周波数ピークを示すグラフである。
【図７】水平軸を周波数とし垂直軸を振幅として、図５に示されている波形の領域Ｅにおける音響カオスによって発生された周波数ピークを示すグラフである。
【図８】本発明の別の実施例による音響カオス欠陥検出システムのブロック図である。
【図９】本発明の別の実施例によるサーモグラフィ欠陥検出システムのブロック図であり、このシステムは、選択された周波数を有する可撓的な多重モード入力信号を提供して入力信号の周波数と振幅と継続時間とを制御することができる。
【図１０】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフであり、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と２１ｋＨｚを中心とする第２の周波数との２つの周波数を有している。
【図１１】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフであり、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と４０．５ｋＨｚを中心とする第２の周波数との２つの周波数を有している。
【図１２】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフであり、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と４１ｋＨｚを中心とする第２の周波数との２つの周波数を有している。
【図１３】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフであり、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と２１ｋＨｚを中心とする第２の周波数と２２ｋＨｚを中心とする第３の周波数との３つの周波数を有している。
【図１４】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、２０ｋＨｚを中心とするガウス周波数帯域である図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１５】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、上方向に掃引されるチャープ信号である図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１６】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、デジタル・シーケンスのランダム・パルスを有するシグナチュア信号である図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１７】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、２０ｋＨｚを中心とする矩形周波数帯域に基づく図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１８】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、最初にステップを有する増加する振幅を有する図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【図１９】水平軸を時間とし垂直軸を振幅として、それぞれが選択されたエンベロープ周波数ヲ有する２つのパルスを含む図９に示されているシステムのための入力励起信号の一部を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造における欠陥を検出する欠陥検出システムであって、
音入力信号を前記構造に与える音源であって、前記入力信号は異なる周波数を有する複数の周波数信号を含み、前記入力信号は前記構造における欠陥を加熱する、音源と、
前記構造の熱画像を発生して前記欠陥を識別する熱画像化カメラと、
を備えていることを特徴とする欠陥検出システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は異なる周波数を中心とする２以上の周波数信号の組合せであることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号はガウス周波数帯域を有することを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は周波数が時間と共に変化するチャープ信号であることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は擬似ランダム・パルスの組を有するシグナチュア信号であることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は増加、減少又は一定振幅を、振幅におけるオプショナルなステップを含む様々なシーケンシャルな組合せで有していることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は矩形周波数帯域に基づくことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は、異なる震度の欠陥を検出するために、小さなパルス幅を有する１つのパルスとより大きなパルス幅を有するもうひとつのパルスとを含む選択されたエンベロープ周波数であることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１記載のシステムにおいて、前記音源は、ＥＭＡＴ、超音波振動子、圧電振動子、電磁気振動子及び磁歪振動子から構成されるグループから選択されることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１記載のシステムにおいて、信号整形器を更に備えており、前記信号整形器は所定の継続時間と振幅と周波数とを有する前記入力信号を発生することを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１記載のシステムにおいて、前記音源はブロードバンド周波数信号を提供することができるブロードバンド・トランスデューサであることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記音源はそれぞれが異なるナローバンド中心周波数に同調された複数のトランスデューサを含むことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記構造に結合された振動センサを更に備えており、前記振動センサは前記構造における振動を感知することを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記振動センサは、渦電流ベースの振動センサと加速度計と光振動センサとマイクロフォンと超音波トランスデューサと超音波振動センサとから構成されるグループから選択されることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記振動センサは前記感知された振動の電流と電圧との間の位相シフトを測定して前記構造の自然周波数を判断することを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記振動センサは前記感知された振動の電流と電圧との振幅特性を測定して前記構造の自然周波数を判断することを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は開ループ又は閉ループ制御を提供する同調された励起信号であることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
構造における欠陥を検出する欠陥検出システムであって、
音入力信号を前記構造に与える音源であって、前記入力信号は１つ若しくは複数の周波数を有するか、又は、前記構造の固有モードにおける若しくはその近くに選択された、若しくは、前記構造の前記固有モードを回避するように選択された振幅変調を伴う単一周波数信号であり、前記入力信号は前記構造における欠陥を加熱する、音源と、
前記構造の熱画像を発生して前記欠陥を識別する熱画像化カメラと、
を備えていることを特徴とする欠陥検出システム。
【請求項１９】
請求項１８記載のシステムにおいて、前記入力信号は、異なる周波数を中心とする２以上の周波数信号の組合せを有する入力信号と、ガウス周波数帯域を有する入力信号と、チャープ信号である入力信号と、ランダム・パルスの組を有するシグナチュア信号である入力信号と、矩形周波数帯域を有する入力信号と、ステップを伴う増加する振幅を有する入力信号と、異なる深度の欠陥を検出するために短いパルス継続時間を有する１つのパルスと幅の広いパルス継続時間を有するもうひとつのパルスとを含む入力信号とから構成される入力信号のグループから選択されることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
構造における欠陥を検出する欠陥検出システムであって、
音入力信号を前記構造に与える音源であって、前記入力信号は振幅変調を伴う単一の周波数信号であり、前記入力信号は前記構造における欠陥を加熱する、音源と、
前記構造の熱画像を発生して前記欠陥を識別する熱画像化カメラと、
を備えていることを特徴とする欠陥検出システム。
【請求項１】
構造における欠陥を検出する欠陥検出システムであって、
音入力信号を前記構造に与える音源であって、前記入力信号は異なる周波数を有する複数の周波数信号を含み、前記入力信号は前記構造における欠陥を加熱する、音源と、
前記構造の熱画像を発生して前記欠陥を識別する熱画像化カメラと、
を備えていることを特徴とする欠陥検出システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は異なる周波数を中心とする２以上の周波数信号の組合せであることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号はガウス周波数帯域を有することを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は周波数が時間と共に変化するチャープ信号であることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は擬似ランダム・パルスの組を有するシグナチュア信号であることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は増加、減少又は一定振幅を、振幅におけるオプショナルなステップを含む様々なシーケンシャルな組合せで有していることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は矩形周波数帯域に基づくことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は、異なる震度の欠陥を検出するために、小さなパルス幅を有する１つのパルスとより大きなパルス幅を有するもうひとつのパルスとを含む選択されたエンベロープ周波数であることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１記載のシステムにおいて、前記音源は、ＥＭＡＴ、超音波振動子、圧電振動子、電磁気振動子及び磁歪振動子から構成されるグループから選択されることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１記載のシステムにおいて、信号整形器を更に備えており、前記信号整形器は所定の継続時間と振幅と周波数とを有する前記入力信号を発生することを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１記載のシステムにおいて、前記音源はブロードバンド周波数信号を提供することができるブロードバンド・トランスデューサであることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記音源はそれぞれが異なるナローバンド中心周波数に同調された複数のトランスデューサを含むことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記構造に結合された振動センサを更に備えており、前記振動センサは前記構造における振動を感知することを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記振動センサは、渦電流ベースの振動センサと加速度計と光振動センサとマイクロフォンと超音波トランスデューサと超音波振動センサとから構成されるグループから選択されることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記振動センサは前記感知された振動の電流と電圧との間の位相シフトを測定して前記構造の自然周波数を判断することを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記振動センサは前記感知された振動の電流と電圧との振幅特性を測定して前記構造の自然周波数を判断することを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１記載のシステムにおいて、前記入力信号は開ループ又は閉ループ制御を提供する同調された励起信号であることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
構造における欠陥を検出する欠陥検出システムであって、
音入力信号を前記構造に与える音源であって、前記入力信号は１つ若しくは複数の周波数を有するか、又は、前記構造の固有モードにおける若しくはその近くに選択された、若しくは、前記構造の前記固有モードを回避するように選択された振幅変調を伴う単一周波数信号であり、前記入力信号は前記構造における欠陥を加熱する、音源と、
前記構造の熱画像を発生して前記欠陥を識別する熱画像化カメラと、
を備えていることを特徴とする欠陥検出システム。
【請求項１９】
請求項１８記載のシステムにおいて、前記入力信号は、異なる周波数を中心とする２以上の周波数信号の組合せを有する入力信号と、ガウス周波数帯域を有する入力信号と、チャープ信号である入力信号と、ランダム・パルスの組を有するシグナチュア信号である入力信号と、矩形周波数帯域を有する入力信号と、ステップを伴う増加する振幅を有する入力信号と、異なる深度の欠陥を検出するために短いパルス継続時間を有する１つのパルスと幅の広いパルス継続時間を有するもうひとつのパルスとを含む入力信号とから構成される入力信号のグループから選択されることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
構造における欠陥を検出する欠陥検出システムであって、
音入力信号を前記構造に与える音源であって、前記入力信号は振幅変調を伴う単一の周波数信号であり、前記入力信号は前記構造における欠陥を加熱する、音源と、
前記構造の熱画像を発生して前記欠陥を識別する熱画像化カメラと、
を備えていることを特徴とする欠陥検出システム。
【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】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【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】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００７−１７４４７（Ｐ２００７−１７４４７Ａ）
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２７３０５（Ｐ２００６−２２７３０５）
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【分割の表示】特願２００４−５３１４６８（Ｐ２００４−５３１４６８）の分割
【原出願日】平成１５年８月２５日（２００３．８．２５）
【出願人】（５０２０９６３０３）ウェイン・ステイト・ユニバーシティ (2)
【出願人】（５０５０７２８０１）シーメンズ・ウエスティングハウス・パワー・コーポレーション (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【分割の表示】特願２００４−５３１４６８（Ｐ２００４−５３１４６８）の分割
【原出願日】平成１５年８月２５日（２００３．８．２５）
【出願人】（５０２０９６３０３）ウェイン・ステイト・ユニバーシティ (2)
【出願人】（５０５０７２８０１）シーメンズ・ウエスティングハウス・パワー・コーポレーション (1)
【Ｆターム（参考）】
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