(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可聴域から超音波域の振動を検出するシステムであって、
広帯域光源と、
前記広帯域光源からの広帯域光が入射するファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧという。）と、
非共振構造を有する前記ＦＢＧからの反射光が、波長に依存する光フィルタを介さずに入力され、該反射光の強度を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電気信号に対して、前記ＦＢＧが受ける振動に基づく応答信号を抽出する平均化処理の信号処理を行う信号処理部とを備えることを特徴とする振動検出システム。
【請求項２】
可聴域から超音波域の振動を検出するシステムであって、
広帯域光源と、
前記広帯域光源からの広帯域光が入射するＦＢＧと、
共振構造を有する前記ＦＢＧからの反射光が、波長に依存する光フィルタを介さずに入力され、該反射光の強度を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電気信号に対して、前記ＦＢＧが受ける振動に基づく応答信号を抽出する、平均化処理および周波数フィルタ処理のいずれか１つ以上の信号処理を行う信号処理部とを備えることを特徴とする振動検出システム。
【請求項３】
前記振動検出システムは、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体に接触させて、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせ、振動を被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させることを特徴とする請求項２記載の振動検出システム。
【請求項４】
前記周波数フィルタ処理は、前記共振特性に基づく共振周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理であることを特徴とする請求項３に記載の振動検出システム。
【請求項５】
前記周波数フィルタ処理は、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバにおける、被検体との接触点と自由端との間の光ファイバ共振部長さに基づいて決定される共振周波数を通過させる処理であることを特徴とする請求項２の振動検出システム。
【請求項６】
前記光ファイバ共振部長さを調整して、前記共振周波数を制御することを特徴とする請求項５記載の振動検出システム。
【請求項７】
前記ＦＢＧを複数備えることにより多点計測を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の振動検出システム。
【請求項８】
前記ＦＢＧを、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または１ｍｍ以下の媒体に接触させることにより可動式ＦＢＧセンサとし、該可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させることを特徴とする請求項１記載の振動検出システム。
【請求項９】
前記ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または１ｍｍ以下の媒体に接触させることにより共振特性をもつ可動式ＦＢＧセンサとし、該可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させることを特徴とする請求項２記載の振動検出システム。
【請求項１０】
前記振動は、超音波またはアコースティック・エミッションであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の振動検出システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動検出システムを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動検出システムを用いて、超音波伝搬状況を測定することにより、被検体の健全性を評価することを特徴とする材料健全性評価装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動検出システムを用いて、材料破壊時に生じるアコースティック・エミッションを検出して、被検体の健全性を評価することを特徴とする材料健全性評価装置。
【請求項１４】
ＦＢＧ反射波長域を包含する広帯域光を前記ＦＢＧに入射し、
非共振構造を有する前記ＦＢＧからの反射光を、波長に依存する光フィルタを介さずに光電変換部に入力して、前記反射光の強度を電気信号に変換し、
前記電気信号に対して、前記ＦＢＧが受ける振動に基づく応答信号を抽出する平均化処理の信号処理を行うことにより振動を検出することを特徴とする振動検出方法。
【請求項１５】
ＦＢＧ反射波長域を包含する広帯域光を前記ＦＢＧに入射し、
共振構造を有する前記ＦＢＧからの反射光を、波長に依存する光フィルタを介さずに光電変換部に入力して、前記反射光の強度を電気信号に変換し、
前記電気信号に対して、前記ＦＢＧが受ける振動に基づく応答信号を抽出する、平均化処理および周波数フィルタ処理のいずれか１つ以上の信号処理を行うことにより振動を検出することを特徴とする振動検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域光を用い、ファイバ・ブラッグ・グレーティングを利用して、可聴域から超音波域の振動を検出するシステムおよび該システムを用いた装置並びに振動検出方法に関する。例えば、超音波探傷装置、アコースティック・エミッション（ＡＥ）センサ、材料（構造体を含む）健全性評価装置に有用なシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波には、材料中を伝搬するとき、超音波が欠陥箇所で大きな分散及び減衰を受けることから、その伝搬状況が欠陥がない場合とある場合とで異なるという性質がある。この性質を利用した材料の欠陥検出法が超音波探傷であり、従来は超音波センサとして圧電素子が多用されてきた。また材料に微視破壊が発生するとアコースティック・エミッション（ＡＥ）が放出されることから、ＡＥを検出することで材料の微視破壊状況を監視することができる。ＡＥは超音波域の弾性波であることから、超音波センサと同様にＡＥセンサに圧電素子が多用されている。
【０００３】
しかしながら、電気センサである圧電素子は電磁波障害を受けることや引火性雰囲気では使用できないなどの問題がある。近年、これらの問題を解決できる超音波・ＡＥセンサとして光ファイバセンサの一種であるファイバ・ブラッグ・グレーティング（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ、以下「ＦＢＧ」とも呼ぶ。）が期待されている。
【０００４】
ＦＢＧをセンサとする超音波又はＡＥ検出システムは、光源としてレーザまたは広帯域光を用いる二種類に大別される。レーザを用いる場合は、ＦＢＧ反射スペクトルの反射率変化が大きな波長で発振するレーザを、ＦＢＧに入射することで、ＦＢＧが受ける超音波やＡＥ振動に同期したＦＢＧ反射光強度を得ることができる。広帯域光源を用いる場合を図２４に示す。広帯域光源２を用いる場合は、ＦＢＧ反射波長域を包含する広帯域光を、光サーキュレータ３を介してＦＢＧ４に入射し、ＦＢＧ反射波長域において透過または反射特性が急峻に変化する光フィルタ５に、ＦＢＧ反射光を入射することで、超音波・ＡＥ振動に同期した光フィルタ透過または反射光強度を得ることができる。光フィルタを透過した光を光電変換器６に入力し、ここで光強度に対応した電気出力に変換する。波形収録器７は、光電変換器６からの電気出力を、ＦＢＧ４が検知したＡＥ・超音波として表示部に表示したり記録装置内に記録する。また、図２４に図示した光フィルタ５を、広帯域光源２と光サーキュレータ３の間に設置しても同様の機能が得られる。発明者による非特許文献１には、それぞれの光源を用いたＦＢＧによる超音波検出及び超音波探傷を行った実験が示されている。また、従来技術として、発明者らによる特許文献１乃至５がある。
【０００５】
ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）は、光ファイバの導光路であるコアの屈折率がファイバ軸方向に周期的に変化した構造を持ち、式（１）で表されるブラッグ波長λＢを中心とする狭帯域光を反射する。
【０００６】
【数１】
0005586009.tif 000002
【０００７】
ｎは屈折率、Λは屈折率変化の周期間隔（グレーティング間隔）を表す。ＦＢＧが温度またはひずみ変化を受けると、屈折率ｎおよびグレーティング間隔Λが変化し、それに伴いブラッグ波長λＢが変化する（式（１）参照）。ひずみおよび温度変化がもたらすブラッグ波長変化量は、通信分野で汎用されている１．５５μｍ帯にブラッグ波長を持つＦＢＧにおいて、それぞれ１．２ｐｍ／マイクロひずみ、および１４ｐｍ／℃である。超音波やＡＥといった弾性波は、高々数マイクロひずみ程度の微弱な振動をもたらすことから、ＦＢＧが超音波やＡＥを受信した場合、そのブラッグ波長は高々数ｐｍ程度しか変化しない。一般に構造物の健全性評価に利用されているＦＢＧはグレーティング長１〜２０ｍｍのものが多く、反射スペクトル全幅は高々１〜２ｎｍ程度である。このためＦＢＧが大きな温度またはひずみ変化を受けた場合は、ブラッグ波長が大きく変化して、レーザ光源を用いたシステムでは、レーザ波長がＦＢＧの反射波長域から外れてしまうことがある。また広帯域光源を用いたシステムでも、ＦＢＧの反射スペクトルと光フィルタの透過または反射特性が急峻に変化する波長域が交差しない状況になる。このような場合、ＦＢＧが受ける超音波やＡＥを検出することができなくなる。
【０００８】
そこで波長可変レーザまたはチューナブルフィルタを用いて、ＦＢＧのブラッグ波長変化に応じて、レーザ波長、または光フィルタの光学特性が変化する波長を、制御することが考えられる。しかし、高速にＦＢＧのブラッグ波長が変動する場合は、これらの制御がブラッグ波長変化に追随できず、超音波やＡＥを検出することができない。特にＡＥは材料破壊時に発生する瞬時のひずみ変化に伴う現象であることから、ＡＥ発生時には高速なブラッグ波長変動が生じる。このため波長可変レーザやチューナブルフィルタを用いた計測システムではＡＥを検出することは困難であると考えられる。
【０００９】
この問題を解決するため、ＦＢＧを被検体に取り付けずに被検体を伝搬する超音波やＡＥを検出する技術が、発明者による特許文献３の「材料健全性評価装置」に開示されている。従来のＦＢＧによる超音波やＡＥ検出においてはＦＢＧを被検体に取り付けていたが、この技術ではＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧ以外の箇所を被検体に接触させる。被検体を伝搬する超音波やＡＥは、光ファイバの接触箇所を介して、光ファイバに流入し、そして光ファイバ中を伝搬して、ＦＢＧを超音波・ＡＥ振動させる。ＦＢＧが被検体に取り付けられていないことから、ＦＢＧのブラッグ波長は、被検体が受けるひずみに無関係になる。しかし、温度変化に伴うＦＢＧのブラッグ波長変化をなくすことはできず、温度変化が生じる環境での超音波やＡＥ検出に問題が残る。
【００１０】
また、発明者による特許文献４の「ＡＥ・超音波検出システム、及びそれを備えた材料監視装置並びに非破壊検査装置」では、二つのファブリ・ペローフィルタを用いたＦＢＧのブラッグ波長に依存しない超音波・ＡＥ検出技術を開示している。この従来技術は、ＦＢＧに広帯域光を入射し、ＦＢＧ反射光を二つのファブリ・ペローフィルタに入射することを特徴としている。二つのファブリ・ペローフィルタは、ＦＢＧの反射スペクトル全幅とほぼ等しいＦＳＲ（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ：周期的な透過特性を有するファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長の間隔）を有し、透過率ピーク波長がＦＳＲ／４だけ異なるものである。この従来技術では、ＦＢＧのブラッグ波長に関係なく、少なくとも片方のファブリ・ペローフィルタ透過光強度はＦＢＧが受ける超音波又はＡＥ振動に同期して変動することになり、ブラッグ波長変化に依存しない超音波又はＡＥ検出が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−３２６３２６号公報
【特許文献２】特開２００５−００９９３７号公報
【特許文献３】特開２００７−２４０４４７号公報
【特許文献４】特開２００８−０４６０３６号公報
【特許文献５】特開２００６−１３２９５２号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｈｉｒｏｓｈｉ  Ｔｓｕｄａ，“Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ａｎｄ  Ｄａｍａｇｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ＣＦＲＰ  ｕｓｉｎｇ  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”，  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．６６，ｐ．６７６−６８３（２００６）
【非特許文献２】Ｊ．Ｒ．Ｌｅｅ，  Ｈ．Ｔｓｕｄａ，“Ａｃｏｕｓｔｏ−ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ｃａｐｓｕｌａｒ  ｆｉｂｒｅ  Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇｓ  ｆｏｒ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ”，  Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．  １７（２００６）２９２０−２９２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
温度変化や歪み変化を受ける環境では、ブラッグ波長が大きく変化して、レーザ光源を用いたシステムでは、レーザ波長がＦＢＧの反射波長域から外れてしまう問題があるので、広帯域光源を用いたシステムが望まれる。しかしながら、広帯域光源を用いた場合は、ＦＢＧ反射波長域において透過または反射特性が急峻に変化する光フィルタを必要としていた。また、従来の技術では、温度変化に伴うＦＢＧのブラッグ波長変化をなくすことはできないという問題がある。
【００１４】
また、特許文献４に記載された超音波・ＡＥ検出システムでは、第一にＦＢＧの反射スペクトル全幅にほぼ等しいＦＳＲを有する二つのファブリ・ペローフィルタを揃える、第二に二つのファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長をＦＳＲ／４ずらす必要がある。しかし第一の必要条件であるＦＢＧの反射スペクトル全幅及びファブリ・ペローフィルタのＦＳＲを精密に制御することは、これらの製造において困難なことであり、システム構成要素が高価になる要因となる。また第二の必要条件である二つのファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長をＦＳＲ／４ずらすためには、透過率ピーク波長制御用の温度調節器をファブリ・ペローフィルタに取り付ける、または多数のファブリ・ペローフィルタを準備してその中から透過率ピーク波長がＦＳＲ／４ずれた二つのファブリ・ペローフィルタを選択する必要がある。このように、特許文献４の技術では、システム構成要素が高価であること、およびシステム構成要素数が多くなる問題がある。
【００１５】
さらに輸送機、特に航空・宇宙分野で利用される輸送機に搭載される健全性評価システムにおいては、厳しい重量制限、電力制限、寸法制限を満足することが要求される。
【００１６】
本発明はこれらの問題を解決するものであり、従来の広帯域光を光源とした超音波・ＡＥ検出システムの光フィルタを不要にした、ひずみおよび温度変動条件下で、超音波又はＡＥを検出する高信頼性の検出システムを実現することを目的とする。また、本発明は、超音波やＡＥの検出能を改善することを目的とする。また、本発明は、構成要素数が少なく、かつ高価な要素がなく、小型で軽量、かつ安価に組み立てることができるシステムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するために、広帯域光をＦＢＧに入射し、ブラッグ波長変化検出のための光フィルタを用いることなく、該ＦＢＧからの反射光を光電変換器に入射して反射光強度を電気信号に変換し、該電気信号に対して平均化処理または周波数フィルタ処理などの適切な信号処理を行うことで、ＦＢＧが受信する超音波・ＡＥに対応する応答信号を得るものである。
【００１８】
本発明は、ＦＢＧセンサが書き込まれた光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を被検体に取り付けることにより、ＦＢＧセンサに共振構造を持たせるものである。該共振構造を有するＦＢＧセンサからの反射光強度を電気信号に変換した後、その電気信号に対して適切な信号処理を行うことで、超音波・ＡＥ検出能をさらに向上させることができる。
【００１９】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００２０】
本発明の装置は、振動検出システムであり、可聴域から超音波域の振動を検出することを特徴とする。前記振動は、代表的には、超音波またはアコースティック・エミッションである。本発明の振動検出システムは、広帯域光源とファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）と光電変換部と信号処理部とを備えることを特徴とする。前記広帯域光源は、ＦＢＧ反射波長域を包含する広帯域光を出射することを特徴とする。前記ＦＢＧに、ＦＢＧ反射波長域を包含する広帯域光が入射すると、ブラッグ波長と呼ばれる波長成分がＦＢＧで反射され、残りの成分は透過される。該ブラッグ波長のシフトが超音波振動やＡＥによって生じることにより、ＦＢＧ反射光強度が変化することを特徴とする。前記信号処理部は、ＦＢＧ反射光強度を変換した電気信号に対して、前記ＦＢＧが受ける振動に基づく応答信号を抽出する信号処理を行うことを特徴とする。前記信号処理は、平均化処理および周波数フィルタ処理のいずれか１つ以上の信号処理であることを特徴とする。前記周波数フィルタ処理は、ローパスフィルタ処理またはバンドパスフィルタ処理である。本発明の振動検出システムは、ブラッグ波長変化検出のための光フィルタを用いないことを特徴とする。
【００２１】
本発明の振動検出システムは、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせることを特徴とする。ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体に接触させて、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせることが好ましい。振動は、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させることを特徴とする。また、周波数フィルタ処理をする場合は、前記共振特性に基づく共振周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理であることが望ましい。本発明の振動検出システムにおける周波数フィルタ処理は、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバにおける被検体との接触点と自由端との間の距離であるところの、光ファイバ共振部長さに基づいて決定される共振周波数を通過させる処理であることを特徴とする。前記光ファイバ共振部長さを調整して、前記共振周波数を制御することができる。
【００２２】
本発明の振動検出システムは、可動式の構成とすることができる。非共振型の構造をとる場合は、ＦＢＧを、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または１ｍｍ以下の媒体に接触させることにより、可動式ＦＢＧセンサとし、該可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させるとよい。共振型の構造をとる場合は、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または１ｍｍ以下の媒体に接触させることにより、共振特性をもつ可動式ＦＢＧセンサとし、該可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させるとよい。
【００２３】
本発明の振動検出システムは、ＦＢＧセンサを複数備えることにより多点計測を行うことができる。本発明の振動検出システムを用いて、超音波伝搬状況を測定することにより、被検体の健全性を評価する材料健全性評価装置、超音波探傷装置、または材料破壊時に生じるアコースティック・エミッションを検出する装置を提供する。
【００２４】
本発明の方法は、振動検出方法であり、ＦＢＧに、ＦＢＧ反射波長域を包含する広帯域光を入射し、前記ＦＢＧからの反射光強度を電気信号に変換し、前記電気信号に対して、前記ＦＢＧが受ける振動に基づく応答信号を抽出する信号処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、歪み及び温度が変動する状況においても、ＦＢＧを用いて超音波やＡＥを検出することができる。また、本発明によれば、広帯域光を光源とした超音波・ＡＥ検出システムにおいて、従来必要とされていた光学フィルタを不要としたので、システム構成要素数が少なく、システムの小型化・軽量化・低価格化・高信頼性を向上させることができる。また、本発明によれば、ＦＢＧ反射光強度を電気信号に変換して、平均化や周波数フィルタリングなどの信号処理を施すことにより、超音波・ＡＥ応答を検出することができる。また、ＦＢＧセンサを共振特性をもつ構造とすることにより、超音波やＡＥの検出能を改善することができる。
【００２６】
本発明によれば、可聴域から超音波域に亘る範囲の振動を検出することができる。超音波の単発パルスのみでも検出することができるので、材料破壊が発生するときに放出されるアコースティック・エミッション（ＡＥ）を的確に検出できる。また、周期性のある超音波振動を用いて応答信号を得る場合は、共振構造を有するＦＢＧセンサは受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示すので、適切な周波数フィルタ処理をすることにより、超音波やＡＥの検出能をより改善することができる。
【００２７】
また、本発明は、ＦＢＧセンサを可動式にすることにより、被検体の検査に便利な装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に対応する超音波計測実験に用いたシステムを表す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に対応する超音波計測実験に用いたシステムを表す図。
【図３】非共振構造を持つＦＢＧセンサのスパイク波励起超音波に対する、（ａ）はレーザを光源に用いたときの平均化処理なしの応答波形、（ｂ）は平均化処理なしの応答波形、（ｃ）は平均化処理を行った応答波形を示す図。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した応答波形の周波数特性を示す図。
【図５】光ファイバ共振部長さ２９１ｍｍにおけるスパイク波励起超音波に対する、（ａ）はレーザを光源に用いたときの平均化処理なしの応答波形、（ｂ）は平均化処理なしの応答波形、（ｃ）は平均化処理を行った応答波形を示す図。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した応答波形の周波数特性を示す図。
【図７】スパイク波励起超音波に対し、光ファイバ共振部長さ２９１ｍｍの共振構造を有するＦＢＧセンサから得られた、（ａ）は平均化なしでバンドパスフィルタ処理された応答波形、（ｂ）はフィルタ未処理で平均化処理された応答波形を示す図。
【図８】スパイク波励起超音波に対し、光ファイバ共振部長さ５０．５ｍｍの共振構造を有するＦＢＧセンサから得られた、（ａ）はフィルタ処理なしで平均化処理された応答波形、（ｂ）はフィルタ未処理および平均化処理なしの応答波形、（ｃ）は平均化処理なしでローパスフィルタ処理された応答波形を示す図。
【図９】（ａ）（ｂ）は、それぞれ図８（ａ）（ｂ）に示した応答波形の周波数特性を示す図。
【図１０】周波数を変化させた３周期正弦波励起超音波に対する光ファイバ共振部長さ５０．５ｍｍの共振構造を有するＦＢＧセンサ応答波形で、正弦波の周波数を（ａ）は１００ｋＨｚ、（ｂ）は２００ｋＨｚ、（ｃ）は３００ｋＨｚ、（ｄ）は４００ｋＨｚにしたときの応答波形を示す図。
【図１１】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示した応答波形の周波数特性を示す図。
【図１２】第５の実施の形態のシステムを表す図。
【図１３】探傷実験で得られた、（ａ）は健全部のみを通過した超音波に対する応答波形、（ｂ）は衝撃損傷部を通過した超音波に対する応答波形を示す図。
【図１４】（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１３（ａ）（ｂ）に示した応答波形の周波数特性を示す図。
【図１５】第６および第７の実施の形態のシステムを表す図。
【図１６】被検体を伝搬する超音波に対し、共振構造を持つＦＢＧセンサから得られた、（ａ）はローパスフィルタ処理および平均化処理された応答波形、(ｂ）は平均化処理なしでローパスフィルタ処理された応答波形、（ｃ）は平均化処理なしでバンドパスフィルタ処理された応答波形を示す図。
【図１７】（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１６（ａ）（ｂ）に示した応答波形の周波数特性を示す図。
【図１８】被検体を伝搬する超音波に対し、非共振構造を持つＦＢＧセンサから得られた、（ａ）はローパスフィルタ処理および平均化処理された応答信号、（ｂ）は平均化処理なしでローパスフィルタ処理された応答信号を示す図。
【図１９】（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１８（ａ）（ｂ）に示した応答信号の周波数特性を示す図。
【図２０】第９の実施の形態のセンサ部を可動式にした装置を表す図。
【図２１】第１０の実施の形態の多点計測装置を表す図。
【図２２】第１０の実施の形態の同時多点計測装置を表す図。
【図２３】第１０の実施の形態の波長分離技術を利用する同時多点計測装置を表す図。
【図２４】従来例を表す図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、可聴域から超音波域の振動を検出するシステムに関し、該振動として、可聴周波数３０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度およびこれより高い周波数の音波即ち超音波、あるいは広義の意味で、人間の耳で直接聞くことを目的としない音波即ち超音波を、検出するためのシステムである。また、超音波検出と同様にＡＥ検出、およびこれらの検出を利用する超音波探傷装置、アコースティック・エミッション（ＡＥ）センサ、材料（構造体）健全性評価装置に適用できる。以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００３０】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は、ＦＢＧセンサを用いた超音波応答の基本的な形態である。本実施の形態の超音波検出システムは、従来の広帯域光源を用いた検出システムにおいて必須な構成要素であった光フィルタを用いることなく、ＦＢＧが受ける超音波を検出することを最大の特徴とするものである。本実施の形態の超音波検出システムは、広帯域光源と、光サーキュレータと、ＦＢＧと、光電変換器と、波形収録器とを備える。本実施の形態の超音波検出システムにおいて、広帯域光源と光サーキュレータとは光ファイバで接続され、光サーキュレータと光電変換器とは、光ファイバで接続されている。広帯域光源からの広帯域光が、光サーキュレータを介して、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバに入射され、ＦＢＧからの反射光は光サーキュレータを介して、光電変換器に入射され、ＦＢＧからの反射光強度は、光電変換器で電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じて増幅およびフィルタ処理された後、波形収録器に収録される。本実施の形態では、光電変換器からの電気信号を、平均化処理することにより、ＦＢＧが受ける超音波を検出し、波形収録器の表示部に表示したり、記録装置に記録する。該平均化処理は、以下の実験で示すように、単発のパルス状超音波に対する応答信号波形を複数回加算平均して得られる。例えば、スパイク励起超音波発振子の励起信号をトリガーとして、平均化処理器で加算平均するとよい。また、波形収録器に、平均化処理機能を持たせてもよい。
【００３１】
図１及び図２は、本発明の振動検出システムを説明するための超音波計測実験に用いたシステムの模式図であり、第１および第２の実施の形態を理解するための図である。図１の超音波計測実験システムは、広帯域光源１２、光サーキュレータ１３、ＦＢＧ１４、超音波発振子１１、光電変換器１５、増幅器１６、フィルタ１７、波形収録器１８からなり、接着箇所１９で光ファイバを超音波発振子１１に接着している。図２の超音波計測実験システムは、広帯域光源２２、光サーキュレータ２３、ＦＢＧ２４、超音波発振子２１、光電変換器２５、増幅器２６、フィルタ２７、波形収録器２８からなり、接着箇所２９で、ＦＢＧを有する光ファイバを超音波発振子２１に接着している。
【００３２】
図１を参照して以下説明する。図１の超音波計測実験用システムにおいて、広帯域光源１２と光サーキュレータ１３は、光ファイバで接続され、光サーキュレータ１３と光電変換器１５は、光ファイバで接続されている。広帯域光源１２からの広帯域光が光サーキュレータ１３を介して、ＦＢＧ１４を書き込んだ光ファイバに入射され、ＦＢＧ１４からの反射光は光サーキュレータ１３を介して、光電変換器１５に入射され、ＦＢＧ１４からの反射光強度は、光電変換器１５で電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じて増幅およびフィルタ処理された後、波形収録器１８に収録される。図１及び図２のシステムは、図２４に示した従来の広帯域光源を用いた検出システムにおいて必須な構成要素であった光フィルタ５を含んでいないことが特徴である。
【００３３】
ＦＢＧを書き込んだ光ファイバに超音波を伝搬させるため、図１または図２のように超音波発振子に光ファイバの一部を接着した。超音波発振子は励起信号入力により超音波振動し、接着箇所を介して光ファイバに超音波が流れる。図１では、ＦＢＧが超音波発振子に貼り付けられている。図２では、ＦＢＧを有する光ファイバの一部が超音波発振子に接着され、ＦＢＧを備える光ファイバ（ＦＢＧセンサとも呼ぶ）は、光ファイバ接着点と光ファイバ自由端の間を往復伝搬する超音波を検出することから、その応答は共振特性を示す。そこで本発明では、光ファイバ接着点から自由端までの光ファイバの長さを「光ファイバ共振部長さ」と定義する。図２に、光ファイバ共振部長さＬを図示する。
【００３４】
比較例として、光源にレーザを用いて得られる超音波応答信号を収録した。その際、図２４に示した光フィルタ５を取り除き、広帯域光源を波長可変レーザに置換し、レーザ波長をＦＢＧの反射率が半減する波長に設定した。
【００３５】
本実施の形態で用いたＦＢＧのグレーティング長は１０ｍｍで、他の実施の形態においてもＦＢＧのグレーティング長を特に記さない例においては、１０ｍｍ長のＦＢＧを用いた。
【００３６】
ＦＢＧセンサとして、光ファイバ共振部長さが０ｍｍ、つまりＦＢＧ全長を超音波発振子に貼り付けた非共振構造のＦＢＧセンサを用い、かつ中心周波数２５０ｋＨｚの超音波発振子をスパイク波励起して、光源の異なる二種類のシステムで、応答波形を収録した。図３に、該応答波形を示す。図３（ａ）は、レーザを光源として、単発のスパイク波を超音波発振子に入力した際に得られた応答波形である。以下、単発の励起信号入力により発振された超音波に対する応答信号を「平均化処理なしの応答信号」と呼ぶ。時間ゼロにおいて大きな超音波応答が現れるが、応答振幅は時間経過に従い急激に減衰した。
【００３７】
図３（ｂ）は、スパイク波励起超音波に対する図１に示した広帯域光源を用いるシステムから得られた「平均化処理なしの応答波形」である。ノイズが大きく、波形から超音波応答を識別することはできない。図３（ｃ）は、図３（ｂ）と同じシステムを用いて、スパイク波励起超音波に対する５１２回の応答を平均化処理した波形であり、図３（ａ）に示したレーザを光源とするシステムから得られた応答波形と類似する波形が得られた。光フィルタを用いない図１に示したシステムを用いて非共振構造を有するセンサから得られる応答波形を平均化処理することで、超音波検出が可能なことがわかる。
【００３８】
従来の広帯域光源を用いたシステムによる超音波検出では、ＦＢＧのブラッグ波長変化に応じて光学特性の波長シフトが可能なチューナブルフィルタを用いるか、または特許文献４のようにＦＢＧの反射全幅にほぼ等しいＦＳＲを有するファブリ・ペローフィルタを用いる必要があった。つまり超音波振動がもたらすＦＢＧのブラッグ波長変化を、光学特性が波長に依存する光フィルタを介して、光強度に変化していた。これに対して、本実施の形態の超音波検出システムでは、光学特性が波長に依存する光フィルタを用いることなく、ＦＢＧが受ける超音波を検出する。検出部において波長に依存する光フィルタを用いていないことから、ＦＢＧのブラッグ波長に関係なく超音波検出が可能である。つまりＦＢＧの受けるひずみや温度に関係しない超音波検出が可能となる。
【００３９】
図４に、図３に示した各応答信号の周波数特性を示す。図４（ａ）および（ｃ）の周波数特性は、超音波発振子の中心周波数２５０ｋＨｚを中心とした広帯域な特徴を有する。一方、図４（ｂ）では全周波数帯域でランダムに高い成分強度が現れている。ノイズに埋もれた信号から超音波応答を得る手段としてフィルタ処理が考えられるが、「平均化処理なしの応答信号」の周波数特性からは応答信号抽出のためのフィルタ条件を設定することができず、フィルタ処理による超音波応答の抽出は不可能である。
【００４０】
以上のことから、本実施の形態では、光電変換器からの電気信号を、平均化処理することにより、ＦＢＧが受ける超音波に基づく応答信号を検出することができる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、共振構造を持つＦＢＧセンサの超音波応答の場合である。本実施の形態の振動検出システムでは、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体に接触させて、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせる。超音波振動を、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させる。そして、光電変換器からの電気信号を、バンドパスフィルタによる周波数フィルタ処理することにより、ＦＢＧが受ける超音波に基づく応答信号を検出することができる。第２の実施の形態の超音波検出システムは、第１の実施の形態と同様、広帯域光源と、光サーキュレータと、ＦＢＧと、光電変換器と、波形収録器とを備える。
【００４２】
第２の実施の形態を説明するために、ＦＢＧセンサの構造以外は図１と同様の超音波計測実験について、図２を参照して説明する。図５に、光ファイバ共振部長さ２９１ｍｍの共振構造を持つＦＢＧセンサを用いて、図１と同様の超音波検出実験を行った結果を示す。図５（ａ）は、光源にレーザを用いた場合の平均化処理なしの応答波形である。時間ゼロにおいて１番目の超音波応答が現れ、０．１１ｍｓ後に２番目の応答が検出された。これら最初の二つの応答は超音波発振子から発生した超音波が光ファイバを伝搬して時間ゼロにＦＢＧを通過し、その後、光ファイバ自由端部で反射して最初のＦＢＧ通過から０．１１ｍｓ後に再びＦＢＧを通過した現象に対応している。その後は超音波発振子上の光ファイバ接着点と光ファイバ自由端部の間を超音波が往復伝搬して、超音波がＦＢＧを通過するたびに大きな振幅を伴う応答が検出された。このように、超音波が往復伝搬することにより大きな振幅を伴う応答が検出されるような構成又は構造を、「共振特性を有する構成」または「共振構造」と呼ぶ。
【００４３】
図５（ｂ）に、広帯域光をＦＢＧに入射したときの、平均化処理なしの応答波形を示す。この場合は、ノイズが大きく超音波応答を認識することができない。そこで、５１２回の平均化処理した応答波形を図５（ｃ）に示す。平均化処理したことにより、レーザを光源とするシステムから得られた波形（図５（ａ））と類似した応答波形（図５（ｃ））が得られている。共振構造を有するＦＢＧセンサにおいても、非共振構造を持つ場合と同様に平均化処理を行うことにより、超音波を検出することができる。
【００４４】
図６に、図５に示した各応答信号の周波数特性を示す。図６（ａ）（ｂ）（ｃ）のいずれの周波数特性にも、離散的に高い成分強度を有する共振特性が現れた。レーザシステムから得られた応答波形は超音波発振子の中心周波数２５０ｋＨｚと良く一致する２４８ｋＨｚに最大成分強度が現れた（図６（ａ）参照）。また高い成分強度が現れる周波数間隔は８．７ｋＨｚであった。
【００４５】
図６（ｂ）及び（ｃ）に、それぞれ広帯域光システムで得られた「平均化処理なし応答信号」および「平均化処理された応答信号」の周波数特性を示す。両者は２８２ｋＨｚに最大成分強度が現れる類似した周波数特性を有し、高い成分強度が現れる周波数間隔は図６（ａ）と同じ８．７ｋＨｚであった。また「平均化処理なし応答信号」の周波数特性には、４００ｋＨｚ以上の高周波域にも無視できない成分強度があることから、これら高周波ノイズのため超音波応答を識別することができなかったと考えられる（図５（ｂ）参照）。
【００４６】
光ファイバ共振部長さが所定の値の共振構造を持つＦＢＧセンサについて、その共振の動作原理について考察する。ＦＢＧセンサを図２のように取り付けたとき、このＦＢＧセンサは、光ファイバ共振部長さを梁の長さとする片持ち梁と同じ共振特性を示すことになり、共振周波数ｆｒ，ｎは式（２）で与えられる。
【００４７】
【数２】
0005586009.tif 000003
【００４８】
ここで、ｖおよびＬは、それぞれ光ファイバ中の超音波伝搬速度および光ファイバ共振部長さを表す。式（２）から、高い成分強度が現れる周波数間隔Δｆｒは、式（３）で与えられる。
【００４９】
【数３】
0005586009.tif 000004
【００５０】
本実施の形態では、Δｆｒ＝８．７ｋＨｚ、および光ファイバ共振部長さＬ＝２９１ｍｍである。これらの値を式（３）に代入して得られる光ファイバ中の超音波伝搬速度ｖは５，０６０ｍ／ｓで、非特許文献２に記された光ファイバ中を伝搬する周波数２００ｋＨｚの超音波速度５，１１０ｍ／ｓと非常に良く一致する。
【００５１】
図６（ｂ）および（ｃ）に示す広帯域光システムから得られた応答波形の周波数特性は、平均化処理の有無に関係なく２８２ｋＨｚにおいて最大成分強度が現れたことから、平均化処理なしでも２８２ｋＨｚ近傍のバンドパスフィルタ処理を施すことで超音波応答が得られると考えられる。図２のフィルタを２８０ｋＨｚ〜２９０ｋＨｚのバンドパスに設定して平均化処理なしで収録した波形を図７（ａ）に示す。また参照のためフィルタ未処理で、５１２回の平均化処理された応答信号を図７（ｂ）に示す（図５（ｃ）と同じ）。平均化処理なしでも最大成分強度が現れる周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理により、平均化処理された応答波形と同じ時間に大きな振幅を有する波形を得ることができた。
【００５２】
以上のことから、第２の実施の形態では、光ファイバ共振部長さが所定の値の共振構造を持つＦＢＧセンサを用いることで、超音波検出が可能となる。具体的には、広帯域光源からの広帯域光が、光サーキュレータを介して、光ファイバ共振部長さが所定の値の共振構造を持つＦＢＧセンサに入射され、ＦＢＧからの反射光は光サーキュレータを介して光電変換器に入射され、ＦＢＧからの反射光強度は光電変換器で電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じて増幅された後、周波数フィルタ処理されて、波形収録器に収録される。周波数フィルタ処理は、最大成分強度が現れる周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理が望ましい。電気信号は、平均化処理しなくともよいが、平均化処理することにより、さらに検出能力が高性能となる。
【００５３】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、共振構造を持つＦＢＧセンサの超音波応答について、光ファイバ共振部長さを調整する場合に関する。本実施の形態の超音波検出システムは、広帯域光源と、光サーキュレータと、ＦＢＧと、光電変換器と、波形収録器とを備える。本実施の形態は、第２の実施の形態と同様に、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体に接触させて、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせる。超音波振動を、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させる。そして、光電変換器からの電気信号を、ローパスフィルタ等による周波数フィルタ処理することにより、ＦＢＧが受ける超音波に基づく応答信号を検出することができる。
【００５４】
第３の実施の形態を理解するために、光ファイバ共振構造以外は第２の実施の形態の説明と同様の超音波計測実験について、説明する。図２に示した超音波計測実験の装置を用いて、光ファイバ共振部長さを５０.５ｍｍにした時のスパイク波励起超音波に対する応答波形を図８に示す。図８（ａ）は、５１２回の平均化処理された応答波形である。図８（ａ）には、光ファイバ共振部長さ２９１ｍｍのＦＢＧセンサが示した断続的な応答（図５（ｃ）参照）ではなく、連続的な応答が現れた。これは光ファイバ共振部が短くなり、超音波が短時間でＦＢＧを往復通過するため連続的な応答信号になった。平均化処理なしの応答波形を図８（ｂ）に示すが、ノイズに埋もれ超音波応答は識別できない。
【００５５】
図９（ａ）（ｂ）は、それぞれ図８（ａ）（ｂ）の応答波形の周波数特性である。両応答波形の最大成分強度は２７０ｋＨｚに現れた。また、両応答波形には、３２０ｋＨｚにおいても比較的大きな成分強度が現れている。平均化処理された応答信号の周波数特性においては、図９（ａ）に矢印を入れた高い成分強度を有する共振周波数以外の成分強度は極めて低い。また図９（ａ）から共振周波数間隔は５１ｋＨｚである。この共振周波数間隔の値は、式（３）に、第２の実施の形態から評価された光ファイバ中の超音波伝搬速度ｖ＝５，０６０ｍ／ｓ、および本実施の形態における光ファイバ共振部長さＬ＝５０．５ｍｍを代入して計算されるΔｆｒ＝５０ｋＨｚと良く一致している。
【００５６】
図９（ａ）および（ｂ）に示すように、平均化処理の有無に関係なく応答信号は周波数３２０ｋＨｚ以下に大きな成分強度を有したことから、平均化処理なしで超音波応答を得るためにはこの共振周波数より若干高い周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタ処理が有効であると考えられる。そこで図２のフィルタをカットオフ周波数３５０ｋＨｚのローパスフィルタに設定し、平均化処理なしで収録した。該収録した波形を図８（ｃ）に示す。平均化処理を行った場合と同様に、時間ゼロにおいて大きな振幅を有する応答が現れている。
【００５７】
以上の実験からわかるように、共振構造を有するＦＢＧセンサの共振周波数およびその周波数間隔は、光ファイバ共振部長さにより制御できる。
【００５８】
本実施の形態では、光電変換器からの電気信号を、フィルタ処理するものである。該フィルタとして、ローパスフィルタを用いることが好ましい。該ローパスフィルタとして、共振構造を有するＦＢＧセンサの光ファイバ共振部長さに対応する所定の共振周波数および周波数間隔に基づいて、該共振周波数より若干高い周波数をカットオフ周波数とするとよい。また、フィルタ処理をする場合、平均化処理をする必要はないが、平均化処理を施してもよい。
【００５９】
また、本実施の形態では、共振構造を有するＦＢＧセンサの超音波検出システムにおいて、その光ファイバ共振部長さを調整することにより、超音波応答を得るためのフィルタ条件を制御することができる。
【００６０】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、周期性の超音波を用いる場合に関する。共振構造を持つＦＢＧセンサの超音波応答に、超音波周波数が及ぼす影響を利用したものである。第４の実施の形態の超音波検出システムは、広帯域光源と、光サーキュレータと、ＦＢＧと、光電変換器と、波形収録器とを備える。本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体に接触させて、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせる。超音波振動を、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させる。そして、光電変換器からの電気信号を、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタによる周波数フィルタ処理することにより、ＦＢＧが受ける超音波に基づく応答信号を検出することができる。
【００６１】
第４の実施の形態を理解するために、光ファイバ共振構造と超音波以外は第２の実施の形態で示したものと同様の超音波計測実験について、説明する。
【００６２】
超音波発振子に入力する励起信号に周期性のある正弦波を用いたとき、発振される超音波の周波数は正弦波の周波数と一致する。つまり発振される超音波の周波数を制御することができる。ここでは超音波周波数が共振型ＦＢＧセンサの応答信号に与える影響を評価するため、１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの３周期の正弦波で励起された超音波に対する応答信号を収録した。本実施の形態における光ファイバ共振部長さは５０．５ｍｍである。
【００６３】
図１０（ａ）〜（ｄ）に、超音波励起正弦波信号の周波数を１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、３００ｋＨｚ、４００ｋＨｚとして、図２のシステムを用いてフィルタ処理なしで、５１２回の平均化処理を施して収録された応答波形を示す。また各応答波形の周波数特性を図１１（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００６４】
この実験では、式（２）から、次数ｎが１〜８までの共振周波数は、７５．１ｋＨｚ、１２５ｋＨｚ、１７５ｋＨｚ、２２５ｋＨｚ、２７６ｋＨｚ、３２６ｋＨｚ、３７６ｋＨｚ、４２６ｋＨｚと計算される。図１１（ａ）〜（ｄ）に現れた成分強度の高い周波数はこれらの共振周波数に対応し、超音波周波数に近接する共振周波数で最大成分強度が現れた。つまり共振構造を有するＦＢＧセンサは、受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示す。
【００６５】
以上のことから、本実施の形態では、第２、３の実施の形態における超音波として、超音波の周波数を所定の周波数に設定することにより、共振構造を有するＦＢＧセンサは、受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示す。この応答特性を利用して、該応答に適するフィルタを用いてフィルタ処理をする。該フィルタとして、ローパスフィルタを用いる場合は、受信する超音波の周波数に近接する共振周波数より若干高い周波数をカットオフ周波数とするとよい。また、該共振周波数及び周波数間隔に基づいて、カットオフ周波数を適宜設定することとよい。
【００６６】
本実施の形態のように、周期性のある超音波振動を用いて応答信号を得る場合は、共振構造を有するＦＢＧセンサは受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示すことを利用して、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなどの周波数フィルタ処理すると、超音波やＡＥの検出能をより改善することができる。
【００６７】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態は、第１乃至４の実施の形態で説明した超音波検出システムを超音波探傷に適用した装置である。本発明の超音波検出システムを利用して、衝撃損傷を有する炭素繊維強化プラスティックス（ＣＦＲＰ）の超音波探傷を行った例を図１２に示す。図１２の超音波探傷装置は、広帯域光源３２、光サーキュレータ３３、ＦＢＧ３４、超音波発振子３１、光電変換器３５、増幅器３６、フィルタ３７、波形収録器３８からなり、光ファイバを被検体４０に接触箇所３９で接触させている。被検体４０は、３００×１５０ｍｍ２の直交積層ＣＦＲＰ板で、被検体４０の中央部に、長径および短径がそれぞれ３０ｍｍおよび２０ｍｍの楕円形状の衝撃損傷４１がある。なお、図１２において、衝撃損傷４１は模式的に楕円で示し、光ファイバ接触点は、模式的に接触箇所３９として円で示した。超音波発振子３１と光ファイバ接触点間距離を１５０ｍｍにして、中心周波数２５０ｋＨｚの超音波発振子３１をスパイク波励起した。被検体４０の健全部のみを通過した超音波、および衝撃損傷４１の短径方向を通過した超音波に対する応答を収録した。なお、この例では光ファイバ共振部長さを５２ｍｍとし、信号収録においてはカットオフ周波数１ＭＨｚのローパスフィルタ処理、ならびに５１２回の平均化処理を行った。
【００６８】
図１３（ａ）（ｂ）に、それぞれ健全部のみ通過した超音波と、損傷部を通過した超音波に対する応答波形を示す。両応答波形を比較すると、損傷部を通過した超音波に対する応答レベルは極めて低下していることが分かる。
【００６９】
図１４（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１３（ａ）（ｂ）に示した両応答波形の周波数特性である。超音波発振子の中心周波数である２５０ｋＨｚ付近で、両応答波形に大きな成分強度が現れた。図１４（ａ）に示されるように、超音波が健全部のみを通過した時、２５０ｋＨｚ以上の成分強度は極めて低く、それ以下の周波数帯では離散的に成分強度の高い周波数域が現れた。一方、図１４（ｂ）に示されるように、損傷部を通過した超音波に対する応答波形は、発振子中心周波数の１／４に相当する７２．５ｋＨｚにおいて最大成分強度が現れた。また超音波周波数の２倍に相当する５００ｋＨｚにおいても比較的高い成分強度が現れた。
【００７０】
このように、超音波伝搬経路における損傷の有無により、応答波形の強度変化が現れることや、他に、周波数特性に変化が現れる特徴を利用して、超音波探傷することができる。本実施の形態では、ローパスフィルタやバンドパスフィルタにより周波数フィルタ処理や平均化処理を行うことにより、超音波探傷を高精度で検出できる。
【００７１】
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態では、第１乃至第３の実施の形態で説明した超音波検出システムをＡＥ検出に適用する例を示す。本実施の形態の超音波検出システムは、広帯域光源と、光サーキュレータと、ＦＢＧと、光電変換器と、波形収録器とを備える。
【００７２】
ＡＥは、材料の微視破壊発生に伴う突発的な弾性波放出であり、超音波帯域の弾性波となって材料中を伝搬する。即ち、ＡＥは、単発のパルス状の超音波といえる。このため材料中を伝搬する超音波を平均化処理なしで検出できる計測システムでなければＡＥを検出することはできない。第２の実施の形態および第３の実施の形態では、平均化処理を施さずに超音波を検出できることを示した（図７（ａ）、および図８（ｃ）参照）。これらの例では、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバに、超音波発振子から超音波を流入させたため、強力な超音波が光ファイバ中を伝搬したと考えられる。
【００７３】
材料中を伝搬する超音波を平均化処理せずに検出できるかどうかを検証するために、図１５に示す実験装置を組み立てた。図１５のＡＥ検出実験システムは、広帯域光源５２、光サーキュレータ５３、ＦＢＧ５４、光電変換器５５、増幅器５６、フィルタ５７、波形収録器５８を備える。被検体６０は、厚さ１ｍｍのアルミ板を用いる。図１５において、光ファイバ接触点は、模式的に接触箇所５９として円で示した。超音波発振子５１と光ファイバ接触点間距離を１５０ｍｍにして、中心周波数２５０ｋＨｚの超音波発振子をスパイク波励して、被検体６０に超音波を伝搬させた。この例ではグレーティング長さ２０ｍｍのＦＢＧを用い、光ファイバ共振部長さを２２ｍｍとした。なお、光ファイバ中のＦＢＧ箇所は特定できない場合があり、実験ではＦＢＧの一部を被検体に接着させた恐れがあるが、接着箇所５９にＦＢＧの一部が入っているか否かは、検出には影響していない。
【００７４】
図１６（ａ）に、カットオフ周波数５００ｋＨｚのローパスフィルタ処理、および５１２回の平均化処理を施した応答信号を示す。被検体６０を通過した超音波に対する応答を、平均化することで明確に超音波を検出することができる。図１６（ｂ）に平均化処理なしで５００ｋＨｚローパスフィルタ処理した応答波形を示す。平均化処理なしのローパスフィルタ処理では、超音波応答は識別できない。
【００７５】
図１７（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１６（ａ）（ｂ）に示した両応答波形の周波数特性である。図１７（ａ）は、カットオフ周波数５００ｋＨｚのローパスフィルタ処理、および５１２回の平均化処理を施した場合であり、図１７（ｂ）は、平均化処理なしで５００ｋＨｚローパスフィルタ処理した場合である。図１７（ａ）および（ｂ）において、両応答信号は１７３ｋＨｚにおいて最大成分強度が現れている。一方、光ファイバ共振部長さＬ＝２２ｍｍ、および光ファイバ中の超音波伝搬速度ｖ＝５，０６０ｍ／ｓを、式（２）に代入して、本実施の形態で用いたＦＢＧセンサの共振周波数は、次数０から高次の順に、５７．５ｋＨｚ、１７２．５ｋＨｚ、２８７．５ｋＨｚ、４０２．５ｋＨｚと計算される。したがって、１次の共振周波数において最大成分強度が現れたことになり、この共振周波数近傍のバンドパスフィルタ処理がノイズに埋もれた超音波応答の抽出に有効であると考えられる。
【００７６】
そこで、図１５において、光電変換器からの電気信号を、平均化処理なしで１７０ｋＨｚを中心周波数とするバンドパスフィルタ処理をフィルタ５７で行い波形収録器５８により収録した。図１６（ｃ）に、収録された応答波形を示す。増幅器５６は増幅の必要に応じて適宜設けるとよい。図１６（ｃ）によれば、時間ゼロにおいて大きな振幅を伴う超音波応答が確認できる。この結果から平均化処理なしでも適切なフィルタ処理を行うことで被検体を伝搬する超音波を検出することが可能であること、特に本発明に基づきＡＥを検出することが可能であることがわかる。
【００７７】
なお、第４の実施の形態に示したように、共振構造を取るＦＢＧセンサは、ＦＢＧが受信する超音波の周波数に近接する共振周波数に高い成分強度を有する応答を示すことが分かっている。図１７（ａ）（ｂ）では、１次の共振周波数に高い成分強度を有する応答が現れたが、この例より低周波の超音波を受信した場合は、０次の共振周波数に高い成分強度を有する応答が現れ、また高周波の超音波を受信した場合は２次以上の共振周波数に高い成分強度を有する応答が現れると考えられる。
【００７８】
以上のことから、本実施の形態の、ＡＥを検出する装置では、共振型ＦＢＧセンサの複数の共振周波数を中心とする帯域のバンドパスフィルタ処理を応答信号に対して行うことで、ＡＥ発生を漏れなく検出できる。バンドパスフィルタとして、例えば、０次、１次、２次等の複数の共振周波数を中心とするバンドパスフィルタでもよい。
【００７９】
（第７の実施の形態）
第７の実施の形態では、非共振構造のＦＢＧセンサを用いる場合を示す。
【００８０】
既に第６の実施の形態では、共振構造を持つＦＢＧセンサを用いて、被検体を伝搬する超音波を平均化処理なしで検出すること、つまりＡＥ検出が可能であることを示した。ＦＢＧセンサに共振構造を持たせることが、本発明の超音波やＡＥ検出に大きく寄与することを実証するため、図１５に示す装置において、ＦＢＧ全体を被検体に接着させ、非共振構造にして、第６の実施の形態で示したものと同じ実験を行った。図１８（ａ）および（ｂ）に、それぞれカットオフ周波数５００ｋＨｚのローパスフィルタ処理後に５１２回の平均化処理した応答波形、および同じフィルタ処理後に平均化なしで収録された応答波形を示す。ＦＢＧセンサを非共振構造にしても、応答信号を平均化処理することで超音波検出は可能であるが、平均化処理なしでは超音波応答はノイズの中に埋もれて識別することはできない。
【００８１】
図１９（ａ）および（ｂ）に、それぞれ図１８（ａ）および（ｂ）に示した応答波形の周波数特性を示す。非共振構造ＦＢＧセンサの平均化処理を行った応答波形の周波数特性（図１９（ａ））は、共振構造を持つ場合（図１７（ａ））と比較して、広帯域で、３００ｋＨｚ以下に大きな成分強度が現れた。また平均化処理なしの応答信号の周波数特性（図１９（ｂ））は、３００ｋＨｚを超える高周波数領域においても大きな成分強度を有する周波数がランダムに現れ、平均化処理された応答波形の周波数特性とは大きく異なる特徴を有した。このため非共振構造を持つＦＢＧセンサにおいては、超音波応答を抽出するための適切なフィルタ条件を見つけることができず、平均化処理なしでは超音波の検出は極めて困難で、ＡＥ検出には適用できないと考えられる。なお、ＡＥ以外の振動検出には平均化処理は有効である。
【００８２】
以上のことから、ＦＢＧセンサを共振構造とする（第２乃至第６の実施の形態）ことにより、超音波検出性能が向上される効果があることが示された。一方、非共振構造を用いる本実施の形態の場合は、平均化処理のみ、またはローパスフィルタ処理および平均化処理により、超音波応答を抽出することができる。
【００８３】
（第８の実施の形態）
上記した各実施の形態で示した超音波検出のための信号処理について、次のような形態をとることができる。各実施の形態では、ノイズに埋もれた超音波・ＡＥ応答を取り出すために、波形収録器での信号収録前に周波数フィルタ処理を行っているが、信号収録後に同処理を行って同様に超音波・ＡＥ応答の取り出してもよい。またセンサ出力に対する周波数フィルタ処理の他に、バックグラウンドノイズ成分を除去するスペクトルサブトラクション処理なども、超音波・ＡＥ検出に有効な手段であり、設けることができる。
【００８４】
また、共振構造を持つＦＢＧセンサは、超音波やＡＥ受信時に共振周波数において大きな成分強度を有する応答信号を出力する。そこで共振型ＦＢＧセンサを用いて、超音波やＡＥ応答を収録する際に、センサの共振周波数をロックインアンプの測定信号周波数に設定し、ロックインアンプ出力を収録トリガーとするとよい。
【００８５】
また、ＦＢＧセンサの構造が非共振又は共振に関わらず、平均化処理は超音波応答を取り出すための有効な手段であり、各実施の形態で示したフィルタ処理と適宜組み合わせることができる。
【００８６】
（第９の実施の形態）
第９の実施の形態では、超音波送受信点を移動させながら超音波を検出する場合を示す。既に示した実施の形態では、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバを被検体に貼り付けた場合について示した。しかし、多くの超音波探傷では超音波送受信点を移動させながら欠陥位置を同定するため、超音波発振子およびＦＢＧセンサの両方ともに可動式とした方が実用的であり便利である。ＦＢＧセンサを可動式とする技術が、特許文献５に開示されているが、本発明に基づく超音波検出システムのセンサ部においても、上記特許文献５と同様の可動部構造を構成して、ＦＢＧセンサを可動式とすることもできる。
【００８７】
図２０は、上記実施の形態で示した超音波検出システムを可動式にした装置である。図２０に示すように、ＦＢＧ７４を書き込んだ光ファイバの一部を可動用治具７１に取り付け、被検体７０を伝わる超音波を、可動用治具７１を介して光ファイバに伝える。例えば、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧ７４の一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、超音波伝搬速度の遅い媒体または厚さ１ｍｍ以下の薄い媒体（可動治具７１に相当）に、接着箇所７９で接触させることにより、共振特性を持たせた可動式ＦＢＧセンサとするとよい。可動式ＦＢＧセンサを被検体７０に接触させることで、被検体を伝搬する超音波またはＡＥを検出する。
【００８８】
図２０には、共振型ＦＢＧセンサの例を図示したが、非共振構造ＦＢＧセンサを可動用治具に取り付けて可動式の振動検出システムとすることができる。具体的には、ＦＢＧを、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または厚さ１ｍｍ以下の薄い媒体に接触させることにより、可動式ＦＢＧセンサとし、その可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させることで、被検体を伝搬する超音波またはＡＥを検出する。
【００８９】
ＦＢＧセンサを可動式とすることにより、超音波検出ならびに超音波探傷検査を容易に行うことができる。
【００９０】
（第１０の実施の形態）
本実施の形態では、既に示した実施の形態を応用して、複数のＦＢＧを有するシステムに拡張する場合を示す。
【００９１】
本発明の超音波検出システムを用いて多点計測するための装置を、図２１に示す。図２１の多点計測装置は、広帯域光源８２と、光サーキュレータ８３と、複数のＦＢＧ（１、２・・・ｎ）と、光電変換器８５と、波形収録器８８と、光スイッチ８９とを備え、増幅器８６、フィルタ８７は必要に応じて設けられる。広帯域光を入射するＦＢＧ（１、２・・・ｎ）を、光スイッチ８９を用いて選択する。
【００９２】
本発明の超音波検出システムを用いて同時多点計測するための装置を、図２２に示す。図２２の同時多点計測装置は、広帯域光源９２と、複数の光サーキュレータ９３と、複数のＦＢＧ（１、２・・・ｎ）と、光電変換器９５と、波形収録器９８と、１×Ｎ  カップラ９９とを備え、増幅器９６、フィルタ９７は必要に応じて設けられる。１×Ｎカップラ９９を用いて、複数のＦＢＧに同時に広帯域光を入射して、各ＦＢＧからの反射光強度を測定し、同時に複数のＦＢＧ反射強度を測定する。
【００９３】
本発明の超音波検出システムを用いて同時多点計測するための装置を、図２３に示す。図２３の同時多点計測装置は、広帯域光源１０２と、光サーキュレータと、複数のＦＢＧ（１、２・・・ｎ）と、光電変換器１０５と、波形収録器１０８と、光分波器１０９とを備え、増幅器１０６、フィルタ１０７は必要に応じて設けられる。図２３の同時多点計測装置は、ブラッグ波長の異なる複数のＦＢＧからの反射光を、波長により出力ラインの異なる光分波器１０９に通し、それぞれのＦＢＧからの反射光強度を異なるライン（λ１、λ２、・・・λｎ）に出力させ、各ＦＢＧからの反射光強度を測定することにより、同時に複数のＦＢＧ反射強度を測定する。
【００９４】
以上の実施の形態において、２０ｋＨｚを超える超音波帯域の場合の例を示したが、２０ｋＨｚ以下の可聴域振動についても同様に検出することができる。共振型ＦＢＧセンサの場合は、光ファイバ共振部長さを調整することにより、２０ｋＨｚ以下の可聴域に共振周波数を持たせることができる。また、本発明の超音波検出システムは、実施の形態で示した超音波探傷による欠陥検出、ＡＥ検出による損傷発生検知、および振動検知による機械の異常発生検知等の装置に適用することができる。
【００９５】
本発明では、各実施の形態で示した信号処理を適宜組み合わせて実施することができる。なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、超音波探傷による欠陥検出、ＡＥ検出による損傷発生検知、および振動検知による機械の異常発生検知等に有用である。
【符号の説明】
【００９７】
２、１２、２２、３２、５２、７２、８２、９２、１０２    広帯域光源
３、１３、２３、３３、５３、７３、８３、９３    光サーキュレータ
４、１４、２４、３４、５４、７４    ＦＢＧ
５    光フィルタ
６、１５、２５、３５、５５、７５、８５、９５、１０５    光電変換器
７、１８、２８、３８、５８、８８、９８、１０８    波形収録器
１１、２１、３１、５１    超音波発振子
１６、２６、３６、５６、８６、９６、１０６    増幅器
１７、２７、３７、５７、８７、９７、１０７    フィルタ
１９、２９、３９、５９、７９    接着箇所
４０、６０、７０    被検体
４１    衝撃損傷
４２    超音波
６２    超音波またはＡＥ
７１    可動用治具
８９    光スイッチ
９９    １×Ｎカップラ
１０９    光分波器
【図１】
0005586009.tif 000005
【図２】
0005586009.tif 000006
【図３】
0005586009.tif 000007
【図４】
0005586009.tif 000008
【図５】
0005586009.tif 000009
【図６】
0005586009.tif 000010
【図７】
0005586009.tif 000011
【図８】
0005586009.tif 000012
【図９】
0005586009.tif 000013
【図１０】
0005586009.tif 000014
【図１１】
0005586009.tif 000015
【図１２】
0005586009.tif 000016
【図１３】
0005586009.tif 000017
【図１４】
0005586009.tif 000018
【図１５】
0005586009.tif 000019
【図１６】
0005586009.tif 000020
【図１７】
0005586009.tif 000021
【図１８】
0005586009.tif 000022
【図１９】
0005586009.tif 000023
【図２０】
0005586009.tif 000024
【図２１】
0005586009.tif 000025
【図２２】
0005586009.tif 000026
【図２３】
0005586009.tif 000027
【図２４】
0005586009.tif 000028