(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に取り付けた超音波振動子（４、５）を使用して、物体（２）の前記表面（３）をモデル化する方法であって、前記方法は、
・  前記表面の高さを示す表面点のセットを含む、前記表面のモデルを用意するステップと、
・  第１の振動子（４）から１つまたは複数の第２の振動子（５）にパルス波を送信するステップであって、前記第１の振動子および各第２の振動子は、前記表面に沿ったそれぞれの経路を画定するステップと、
・  各経路に沿った前記パルス波の伝播時間を測定するステップと、
・  前記表面の前記モデルに基づいて伝播時間を計算するステップと、
・  前記測定した伝播時間と前記計算した伝播時間との相違に応じて前記表面の前記モデルを調整するステップと、
・  前記相違が所定のしきい値よりも小さくなるまで、送信、測定、計算、および調整の各ステップを繰り返すステップと、
を含み、
伝播時間を計算する前記ステップは、拡張した表面点のセットを得るために、表面モデルを繰り返し調整して、計算した伝播時間と測定した伝播時間をより一致させることで得られる調整された表面モデルから、前記モデルの中核となる表面点のセットを内挿するサブステップを含み、前記伝播時間は前記拡張セットを使用して計算される方法。
【請求項２】
前記表面点のセットは、１００未満の表面点で構成され、前記拡張した表面点のセットは、２００より多い表面点で構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パルス波は、誘導波である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記パルス波は、レイリー波である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記パルス波の前記測定した伝播時間に位相補正を加えるステップをさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
パルス波を送信し、伝播時間を測定するステップは、少なくとも２つの第１の振動子（４）に対して連続的に実施される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
第１の振動子（４）の数量は、第２の振動子（５）の数量に等しい、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のモデル化する方法を含む、パイプラインをモニタリングする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の、表面に取り付けた超音波振動子（４、５）を使用して、物体（２）の前記表面（３）をモデル化する方法によりその平坦度を求める方法であって、前記方法は、
・  第１の振動子（４）および少なくとも１つの第２の振動子（５）が、前記表面に沿ったそれぞれの経路を画定するステップと、
・  パルス波を前記第１の振動子（４）から前記１つまたは複数の第２の振動子（５）に前記それぞれの経路に沿って送信するステップと、
・  各経路に沿ったパルス波の伝播時間を測定するステップと、
・  前記測定した伝播時間に基づいて前記平坦度を計算するステップと、
を含み、前記パルス波は、レイリー波である方法。
【請求項１０】
コンピュータプログラムにより各ステップを実行させる、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の、表面に取り付けた超音波振動子を使用して、物体の前記表面をモデル化する方法に使用する装置（１）であって、前記装置は、
・  前記表面の高さを示す表面点セットを含む、前記表面のモデルを格納するメモリユニット（１１）と、
・  前記表面に沿ったそれぞれの経路を画定する第１の振動子（４）および少なくとも１つの第２の振動子（５）と、
・  パルス波を前記第１の振動子（４）から前記１つまたは複数の第２の振動子（５）に前記それぞれの経路に沿って送信する送信ユニット（１２）と、
・  処理ユニット（１０）と、を有し、前記処理ユニットは、
ｏ  各経路に沿った前記パルス波の伝播時間を測定し、
ｏ  前記表面の前記モデルに基づいて前記伝播時間を計算し、
ｏ  前記測定した伝播時間と前記計算した伝播時間との相違に応じて、前記表面の前記格納したモデルを調整し、
ｏ  前記相違が所定のしきい値よりも小さくなるまで、送信、測定、計算、および調整の各ステップを繰り返すように構成され、
前記処理ユニット（１０）は、拡張した表面点のセットを得るために、前記表面点のセットを内挿し、前記拡張セットを使用して、前記伝播時間を計算するようにさらに構成される装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の、表面に取り付けた超音波振動子を使用して、物体の前記表面の平坦度を求める方法に使用する装置（１）であって、前記装置は、
・  前記表面に沿ったそれぞれの経路を画定する第１の振動子（４）および少なくとも１つの第２の振動子（５）と、
・  パルス波を前記第１の振動子（４）から前記１つまたは複数の第２の振動子（５）に前記それぞれの経路に沿って送信する送信ユニット（１２）と、
・  処理ユニット（１０）と、を有し、前記処理ユニットは、
ｏ  各経路に沿った前記パルス波の伝播時間を測定し、
ｏ  前記測定した伝播時間に基づいて前記平坦度を計算するように構成され、
前記パルス波は、レイリー波である装置。
【請求項１３】
前記処理ユニット（１０）および前記振動子（４、５）は、無線で通信することができる、請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
請求項１１、１２または１３に記載の装置（１）を含む、パイプラインをモニタリングするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波による表面モニタリング法に関するものであり、更に詳しくは、本発明は、超音波振動子を使用して、物体の表面をモデル化する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、柱やパイプなどの物体の表面に関する情報を得るために、超音波を使用することは周知である。通常、超音波パルスを物体に向けて送信し、その反射パルスを受信して、パルスの伝播時間を記録する。パルスの伝播時間（「移動時間」）の差は、物体の表面の相対高さの差、したがって、物体の壁厚の差を示す。
【０００３】
この公知技術の例は、米国特許第３，９３０，４０４号明細書に開示されている（特許文献１）。この種の方法には、測定が極端に局所的であるという欠点があり、表面は、超音波の衝突（および反射）点で探査されるに過ぎない。表面の残りの部分に関する情報を得るためには、超音波振動子が物体に対して移かされなければならず、伝播時間を他の多くの表面点で測定しなければならない。
【０００４】
国際公開第２００６／０００６６８号公報には、円筒状物体の寸法的な特性決定方法が開示されている（特許文献２）。物体表面の測定点に対向したプローブが、パルス状の超音波をこれらの測定点に送信し、反射したパルス波を受信する。無数の測定点を必要とすることなく、物体の表面全体に関する寸法情報を得るために、表面の特性曲線を内挿から導出する。
【０００５】
内挿を通じて他の表面点に関する情報を得ることができるが、この情報の詳細度は、測定点の数量によって限定される。したがって、表面情報が、少数の測定点からしか得られず、詳細な寸法情報を得るためには、比較的多数のプローブおよび／または物体に対するプローブの移動が必要であるという基本的な欠点が、この公知の方法にもある。
【０００６】
米国特許第５，９６５，８１８号明細書には、パイプ支持部での局所的な腐食のために薄くなった壁厚を測定するのに、超音波ラム波を使用する方法が開示されている（特許文献３）。２つの振動子を使用して、ラム波をパイプ壁に沿って円周方向に伝播させる。測定した移動時間データを比較することにより、腐食に起因する移動時間の変化を定量化できる。腐食は、パイプの円周方向に検出されるだけであり、長手方向には検出されない。
【０００７】
米国特許第５，７６７，４０８号明細書には、複数の成分を含む広帯域超音波レイリー波を発生させることで、材料の表面近くの特性を得る方法が開示されている（特許文献４）。レイリー波の選択された成分の速度を、選択された周波数において測定する。しかし、波動の軌跡は、きわめて限定され、したがって、被試験面に関する情報も限定される。
【０００８】
英国特許出願公開第２  ３８３  ４１３号公報には、表面超音波の速度、減衰、拡散、共振、および周波数吸収の各特性を使用して、レールの障害を検出するシステムが開示されている（特許文献５）。この公知のシステムは、鉄道線路に完全に特化し、レールをそれらの長手方向に試験するのに電気音響技術を使用する。
【０００９】
特開昭５７−１８７６０９号公報には、周波数を上げながら表面波を使用し、伝播時間を検出することで壁厚を測定する別の従来の方法が開示されている（特許文献６）。表面波は、軌跡を一方向のみに限定され、したがって、限定された情報しかもたらさない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第３，９３０，４０４号明細書
【特許文献２】国際公開第２００６／０００６６８号公報
【特許文献３】米国特許第５，９６５，８１８号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７６７，４０８号明細書
【特許文献５】英国特許出願公開第２  ３８３  ４１３号公報
【特許文献６】特開昭５７−１８７６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、先行技術のこれらおよび他の問題を解決し、超音波振動子を使用して、物体の表面をモデル化するための方法および装置を提供することを目的とするものであり、その方法および装置は、数量を限定した振動子を使用して、表面についてのより詳細な情報を提供する。
【００１２】
本発明は、さらに、超音波振動子を使用して、物体の表面をモデル化するための方法および装置を提供することを目的とするものであり、その方法および装置は、必要な計算量を限定しながら、表面に関する詳細な情報を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本発明は、表面に取り付けた超音波振動子を使用して、物体の表面をモデル化する方法を提供するものであり、その方法は、
・  表面の高さを示す表面点セットを含む、表面のモデルを用意するステップと、
・  第１の振動子から１つまたは複数の第２の振動子にパルス波を送信するステップであって、第１の振動子および各第２の振動子は、表面に沿ったそれぞれの経路を画定するステップと、
・  各経路に沿ったパルス波の伝播時間を測定するステップと、
・  表面のモデルに基づいて伝播時間を計算するステップと、
・  測定した伝播時間と計算した伝播時間との相違に応じて表面のモデルを調整するステップと、
・  相違が所定のしきい値よりも小さくなるまで、送信、測定、計算、および調整の各ステップを繰り返すステップと、
を含み、
伝播時間を計算するステップは、拡張した表面点のセットを得るために、表面点のセットを内挿するサブステップを含み、伝播時間は、拡張セットを使用して計算される。
【００１４】
表面に取り付けた第１の振動子から表面に取り付けた第２の振動子にパルス波を送信することにより、各パルス波の伝播時間は、表面の上および／または下の波動経路によって決まり、したがって、表面経路ではなく反射に基づく上記の先行技術の単一点測定よりもはるかに多くの情報を含む。
【００１５】
表面モデルを繰り返し調整して、計算した伝播時間と測定した伝播時間をより十分に一致させることで、パルス波の伝播時間を正確に予測する最適な表面モデルが得られる。このような技術は、それ自体公知であり、一般的には、トモグラフィ逆変換またはトモグラフィ再構築と呼ばれる。結果的に得られたモデルは、適切な表示画面に表示でき、かつ／または、例えば、パイプ壁の相対的に薄い部分を特定するために解析することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の重要な利点は、数量を限定した表面点だけがモデルで使用され、このため、この方法に含まれる計算回数が大幅に少なくなることである。モデルで使用される、より少数の表面点が内挿によって補償されるのに伴って、モデルの精度が影響を受けることはない。その結果として、モデルを調整するのに使用される拡張表面点のセットは、実際のモデルの表面点のセットよりもはるかに大きくなる。
【００１７】
有利な実施形態では、例えば、表面点のセットは、１００未満の点、好ましくは５０未満の点で構成され、一方、拡張表面点のセットは、２００より多い点、好ましくは５００より多い点で構成される。他の数量も可能である。例えば、モデルは、２０表面点だけのセットを使用することができ、拡張セットは、１０００を超える表面点を有する。
【００１８】
本発明でモデル化される表面の高さは、ほとんどの実施形態では、振動子に対する高さである。すなわち、本発明は、基準点として、振動子の（絶対）高さを使用して、表面の相対高さをモデル化する。物体の壁の表面高さは、壁の厚さに関係することが多いので、本発明は、物体の壁厚のモデルも提供する。
【００１９】
数種類の超音波パルス波を本発明で使用することができる。第１の実施形態では、パルス波は、レイリー波である。レイリー波は、物体の表面に沿って伝播するので、それらの伝播時間は、表面の（相対）高さの変動によって影響される。そのような変動は、例えば、破損および／または腐食が原因で起こることがある。測定したこれらの表面波の伝播時間の変動により、物体のモデルを適宜調整することが可能になる。
【００２０】
第２の実施形態では、パルス波は、誘導波である。かかる波動の速度は、物体の壁厚に依存するので、これらの波動は、物体、特に中空物体をモデル化するのに非常に適している。パルス波の壁厚依存性は、分散パルス波を使用した場合に高まる。
【００２１】
波動の種類によっては、特に分散波は、それらの経路に沿った伝播中に歪められることがある。この歪みで、伝播時間の測定が不正確になる。したがって、本発明の好ましい実施形態は、測定したパルス波の伝播時間に位相補正を加えるステップをさらに含む。
【００２２】
本発明の方法は、単一の第１の振動子だけを使用して実施することができる。しかし、複数の第１の振動子を使用することが好ましい。パルス波のそれぞれの伝播時間の効果的な測定を可能にするためには、パルス波を送信し、伝播時間を測定するステップを、少なくとも２つの第１の振動子に対して連続して実施することが好ましい。第１の振動子を連続して作動させることで、第１の振動子が送信した波動を別々に検出することができる。第１の振動子の連続する送信間の時間間隔は、発生し得る伝播時間の最大のずれに関係する。
【００２３】
第２の振動子の数量とは無関係に、任意の数量、例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、または６つの第１の振動子を使用することができるが、第１の振動子の数量は、第２の振動子の数量に等しいことが好ましい。
【００２４】
上記に定義したモデル化方法では、誘導波および／またはレイリー波を使用することができる。本発明者は、上記のモデル化がない場合に、表面走査および／または検出にレイリー波を使用することもできると気付いた。
【００２５】
したがって、本発明は、表面に取り付けた超音波振動子を使用して、物体の表面の平坦度を求める方法をさらに提供するものであり、その方法は、
・  第１の振動子から１つまたは複数の第２の振動子にパルス波を送信するステップであって、第１の振動子および各第２の振動子は、表面に沿ったそれぞれの経路を画定するステップと、
・  各経路に沿ったパルス波の伝播時間を測定するステップと、
・  測定した伝播時間に基づいて平坦度を計算するステップと、
を含み、
パルス波は、レイリー波である。
【００２６】
平坦度は、表面モデルで表すことができるが、これは必須ではなく、平坦度は、表面の相対または絶対平坦度を示す単一数値で構成することができる。
【００２７】
本発明は、さらに、パイプラインをモニタリングする方法を提供するものであり、モニタリング方法は、各請求項のいずれかによるモデル化方法を含む。モニタリング方法は、表面の高さがしきい値を下回った場合、および／またはパイプラインが弱くなったことをモデルが示した場合に警告を提示するステップをさらに含む。
【００２８】
本発明は、また、上記に定義したような方法を実施するコンピュータプログラム製品を提供するものである。コンピュータプログラム製品は、ＣＤやＤＶＤなどのデータ担体に格納されたコンピュータ実行命令セットを含むことができる。コンピュータ実行命令セットは、プログラム可能なコンピュータが、上記に定義したような方法を実施するのを可能にし、例えば、インターネットを介して、遠隔サーバからダウンロードするのに利用することもできる。
【００２９】
本発明は、さらに、表面に取り付けた超音波振動子を使用して、物体の表面をモデル化する装置を提供するものであり、この装置は、
・  表面の高さを示す表面点セットを含む、表面のモデルを格納するメモリユニットと、
・  表面に沿ったそれぞれの経路を画定する第１の振動子および少なくとも１つの第２の振動子と、
・  パルス波を第１の振動子から１つまたは複数の第２の振動子にそれぞれの経路に沿って送信する送信ユニットと、
・  処理ユニットと
を有し、この処理ユニットは、
ｏ  各経路に沿ったパルス波の伝播時間を測定し、
ｏ  表面のモデルに基づいて伝播時間を計算し、
ｏ  測定した伝播時間と計算した伝播時間との相違に応じて格納した表面のモデルを調整し、
ｏ  相違が所定のしきい値よりも小さくなるまで、送信、測定、計算、および調整の各ステップを繰り返すように構成され、
処理ユニットは、拡張した表面点セットを得るために、表面点のセットを内挿し、拡張セットを使用して、伝播時間を計算するように、さらに構成される。
【００３０】
パルス波は、誘導波および／またはレイリー波とすることができる。本発明のさらなる態様によれば、上記のモデルがない場合にも、レイリー波を使用することができる。したがって、本発明は、また、表面に取り付けた超音波振動子を使用して、物体の表面の平坦度を求める装置を提供するものであり、その装置は、
・  表面に沿ったそれぞれの経路を画定する第１の振動子および少なくとも１つの第２の振動子と、
・  パルス波を第１の振動子から１つまたは複数の第２振動子にそれぞれの経路に沿って送信する送信ユニットと、
・  処理ユニットと、
を有し、この処理ユニットは、
ｏ  各経路に沿ったパルス波の伝播時間を測定し、
ｏ  測定した伝播時間に基づいて平坦度を計算するように構成され、
パルス波は、レイリー波である。
【００３１】
本発明は、さらに、パイプラインをモニタリングするシステムを提供するものであり、そのシステムは、上記に定義したような装置、ならびに少なくとも１つの第１の振動子および少なくとも１つの第２の振動子を有する。本装置および振動子は、無線で通信可能であることが好ましい。
【００３２】
添付の図面に示した典型的な実施形態を参照して、本発明を、以下、さらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明に従って表面がモデル化される物体を概略的に示す。
【図２】図２は、本発明による３次元物体モデルを概略的に示す。
【図３】図３は、本発明による２次元物体モデルを概略的に示す。
【図４】図４のＡ及びＢは、本発明で使用する超音波パルスを概略的に示す。
【図５】図５は、本発明による表面モデル化装置を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１に、単に非限定的な実施例の手法として示したパイプ２は、モデル化される表面３を含む。図示の実施例では、表面３は、例えば、腐食によって生じることがある凹部６を含む。表面３を適切にモデル化することで、凹部６の範囲および（相対）高さを特定することができる。
【００３５】
第１の振動子ユニット４および第２の振動子ユニット５は、表面３の両側でパイプ２に取り付けられている。第１および第２の振動子ユニットは、ともに、超音波を送信し、受信することができるが、本発明では、超音波パルス波を送信するために第１の振動子ユニット４を使用し、一方、これらの波動を受信するために第２の振動子ユニット５を使用する。振動子ユニットは、それ自体公知であり、圧電ユニットとすることができる。
【００３６】
第１の振動子４で発生したパルス波またはパルスは、例えば、数μ秒（マイクロ秒）の限定された持続時間を有する。実際の持続時間は、例えば、振動子ユニットの寸法や相互距離など、個々の用途に応じて決めることができる。振動子の数量は、変えることができる。複数の第２の振動子５、例えば、２つ、３つ、４つ、８つ、またはそれ以上の第２の振動子５を使用することが好ましいが、少なくとも１つの第１の振動子４および少なくとも１つの第２の振動子５を設けなければならない。
【００３７】
複数の第２の振動子５を使用することで、パルス波は、複数の経路を伝播し、したがって、表面のモデル化が改善される。同様に、２つ以上の第１の振動子４を使用することが好ましい。図２および図３の例では、８つの第１の振動子４および８つの第２の振動子５が使用されているが、本発明は、これらの特定の数量に限定されるものではない。複数の第１および／または第２の振動子の各振動子は、必須ではないが、等間隔で配置されることが好ましい。
【００３８】
典型的な３次元モデルが、図２に示され、パルス波が伝播する経路と本発明による削減された表面点とが、２次元モデルの手法として、図３に示されている。図２の３次元モデルは、図３の２次元モデル７２を基本としている。
【００３９】
図２のモデル７０は、パイプ、例えば、図１のパイプ２の（外側）面を表している。ｘ軸およびｙ軸は、管状モデルの横断面平面に延び、ｚ軸は、その長手方向に延びている。この例の寸法は、メートル（ｍ）で与えられている。図２の３次元モデルは、実際に、図１の物体２を再構築したものである。３次元的再構築は、トモグラフィの分野では、それ自体公知である。
【００４０】
図２にモデル化された表面は、第１の振動子４のセットと第２の振動子５のセットとの間に延在している。経路７１は、各第１の振動子４と各第２の振動子５との間に延びている。これらの経路に沿ったパルスの伝播時間は、経路の長さに比例する。平滑で歪みのない表面に沿って延びる経路は、図１の凹部６を横切る経路よりも短くなる。したがって、これらの経路に沿った伝播時間は異なり、パルスは、異なった時間に到着する。
【００４１】
モデルは、様々な経路に沿ったパルスの到着時間を計算する。すべての経路が等距離であるとモデルが最初に想定している場合、測定した伝播時間と計算した伝播時間との不一致は、凹部６を横断する経路で起こる。この不一致は、モデルを調整することで補償することができる。モデルの初期値は、（パイプなどの）実際の物体の測定に基づいてもよいし、および／または理論的考察に基づいてもよい。
【００４２】
図３の２次元の実施例では、水平軸は、管状モデルの周長Ｒに沿って延び、一方、ｚ軸は、その長手方向に延びる。寸法は、メートル（ｍ）で与えられている。
【００４３】
図３で分かるように、第１の振動子４および第２の振動子５は、モデルの円周に沿って等間隔に配置されている。第１の振動子で発生したパルスは、第２の振動子によって検出される。到着時間、ひいては伝播時間は、各第１の振動子４と第２の振動子５との間に延びる経路セット７１に少なくともほぼ対応する。図が見やすいように、そのような経路セット７１の１つだけが図３に示されている。
【００４４】
上記に説明したように、モデルは、物体の表面（図１の３）についての情報を含む。この情報は、多数の点における表面の（相対または絶対）高さを表す値セットを含むことができる。図１に示すように、凹部６での表面高さは、第１の振動子４での表面高さよりも低い。
【００４５】
表面を正確にモデル化するために、多数の表面点、例えば、数百または数千もの表面点が必要とされる。一方、測定した伝播時間から直接表面点を定めるには、非常に多数の計算回数が必要になる。この理由から、本発明は、数量が限定された表面点だけを含み、したがって、計算回数を大幅に削減した、より効率的なモデルを提供する。
【００４６】
本発明によれば、モデルは、限定された表面点セット７３のみを含む。これらの「中核となる」表面点は、モデル内に保存され、必要に応じて、観測された伝播時間に合わせるために調整される。図示の例では、２４個だけの表面点がモデルで使用されているので、上記の何百または何千もの点と比較して大幅な節減になる。
【００４７】
当然のことながら、「中核となる」表面点の数量は、モデル化される表面の寸法と必要とされる精度とに応じて変えることができ、この数量は、２４より大きくても、またはそれより小さくても、例えば、１６、３０、または５０でも同様に十分で有り得る。
【００４８】
表面を正確にモデル化し、伝播時間を計算するためには、通常では、より多くの表面点が必要とされる。本発明のさらなる態様によれば、拡張した表面点セットが内挿を通じて得られる。すなわち、伝播時間を計算するのに使用され、必要に応じて、さらに詳細な表面情報をもたらす、拡張した表面点セットを設けるために、モデルの表面点のセット（「中核となる」表面点）が内挿される。このように、例示的な数量の２４個の表面点を、例えば、１０２４個の表面点に拡張することができる。
【００４９】
したがって、本発明で使用するモデルは、レベルが２つあるモデルと考えることができる。基本レベルに関しては、限定した（例えば、２４個の）表面点のセットが定められ、保存される。これらの「中核となる」表面点は、測定した伝播時間に従って調整される。より高いレベルに関しては、拡張した（例えば、１０２４個の）表面点のセットが内挿によって算出され、（一時的にまたは永久的に）保存される。したがって、これらの「拡張」表面点は、直接的に得られる「中核となる」表面点とは異なり、測定した伝播時間から間接的に得られる。
【００５０】
拡張セットを使用する場合、モデルに基づいた伝播時間を、それ自体公知である数値計算技術を使用して正確に求めることができる。通常、各経路７１は、多数の区間に分割される。各経路に対して、モデルから得られた拡張表面点のセットに含まれる高さ情報を使用して、すべての経路区間の伝播時間を計算する。次いで、個々の経路の区間の伝播時間を合計することで、各経路の伝播時間が求められ、計算した伝播時間となる。
【００５１】
測定した伝播時間は、パルスの到着時間からそれらの送信時間を減ずることで求められる。送信時間は、通常、作動信号を第１の振動子ユニットに送った時点を記録することで求められ、到着時間は、通常、検出信号を第２の振動子ユニットから受信した時点を記録することで求められる。
【００５２】
次いで、計算した伝播時間を、測定した伝播時間と比較して、相違を記録する。次いで、それ自体公知である最適化手法を使用して、相違がなくなるようにモデルを最適化する。適切な公知の最適化手法には、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法およびＧａｕｓｓ−Ｎｅｗｔｏｎ法がある。
【００５３】
本発明の方法では、表面波を使用する。表面波には、各パルスによって点だけではなく、経路の情報も得られるという利点がある。レイリー波は、表面をたどって進むので、非常に適切な表面波であることが見出されている。その結果として、それらの伝播時間は、表面構造に関する非常に正確な情報を提供する。
【００５４】
一方、誘導波も、特に、表面に関する情報だけでなく、物体の壁厚に関する情報も必要とされる場合に、非常に適している。特に、誘導波の好都合な分散挙動が利用される、すなわち、周波数が所与の場合に、波動の伝播速度は、壁厚によって決まる。したがって、測定された速度変化は壁厚のばらつきを示す。
【００５５】
レイリー（パルス）波と表面（パルス）波との組み合わせを使用することもできる。
【００５６】
本発明のさらなる態様によれば、レイリー波を使用して、図２に示す再構築モデルがない場合でも、表面の平坦度を求めることができる。
【００５７】
すなわち、表面に取り付けた超音波振動子を使用して、物体の表面の平坦度を求める方法は、第１の振動子から１つまたは複数の第２の振動子にパルス波を送信するステップであって、第１の振動子および各第２の振動子が表面に沿ったそれぞれの経路を画定するステップと、各経路に沿ったパルス波の伝播時間を測定するステップと、測定した伝播時間に基づいて平坦度を計算するステップとを含み、パルス波はレイリー波である。
【００５８】
したがって、表面のモデルの有無にかかわらず、レイリー波を使用することができる。（非）平坦度は、（例えば、１〜１０の範囲の）適切な数値や、他の適切な尺度とすることができる。
【００５９】
平坦度は、例えば、（相対）伝播時間、すなわち、非平坦性に起因する遅延に反比例する。短い遅延は、高い平坦度（つまり、相対的に高い値の平坦度）を示し、より長い遅延は、より低い平坦性を示す。したがって、レイリー波の相対時間遅延を使用して、平坦度を求めることができる。「完全な」平坦性に相当する基準時間遅延は、理論的考察、または非常に平坦な表面を使用した実際の測定に基づいて定めることができる。
【００６０】
本発明のさらなる態様によれば、位相補正を使用して、分散波を補正することができる。これは、図４のＡおよびＢに概略的に示され、図４のＡは、元のパルス８１（太い線）とその歪んだ対応パルス８２（細い線）を示し、図４のＢは、再構築されたパルス８３を示している。
【００６１】
図４のＡでは、パルス８２が分散のために歪められて示されている。すなわち、パルスの本来の位相関係が失われ、そのパルスは、元のパルス８１と比較して時間的に拡散している。これは、パルスの到着時間、ひいては、その伝播時間の測定の精度を低める。
【００６２】
この精度低下は、（オプションの）位相補正Ｘを適用することで回避することができる。例示的な実施形態では、位相補正Ｘは、下記のように表すことができ、
【００６３】
【数１】
0005466950.tif 000002
【００６４】
式中、ωは（角）周波数、ν（ω）は周波数に応じたパルス伝播速度、ｘは表面に凹部や突起のない場合の経路長である。
【００６５】
この補正は、歪んだパルス８２に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施し、得られたスペクトルに位相補正Ｘを乗じ、次いで、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を施すことで適用されて、補正されたパルス８３を得ることができる。補正後、位相、ひいてはパルスの形状が、図４のＢに示すように復元される。この復元したパルス波８３により、伝播時間の正確な検出が可能になる。当業者ならば、例えば、予測誤差フィルタ使用するなど、他の位相補正技術を適用できると分かるであろう。
【００６６】
物体の表面をモデル化する装置が図５に示されている。装置１は、処理ユニット（ＰＵ）１０、メモリユニット（１１）、送信ユニット（ＴＵ）１２、および表示ユニット（ＤＵ）１３を含む。処理ユニット１０は、本発明の方法を具現化するソフトウェアプログラムの命令を実行できるマイクロプロセッサを含むのが好ましい。メモリユニット１１は、このソフトウェアプログラム、および表面点値セットを含めたモデルのパラメータを格納することができる。
【００６７】
表示ユニット１３は、モデル、特に、図２に示したタイプの再構築を表示できる表示画面を含むのが好ましい。送信ユニット１２は、処理ユニット１０の制御下で、第１の振動子４に送られるパルス送信信号を生成することができる。さらに、送信ユニット１２は、第２の振動子５によって生成されたパルス検出信号を受け取り、適切なパルス検出情報を処理ユニット１０に送ることができる。
【００６８】
送信ユニット１２は、例えば、ラジオ周波数（ＲＰ）通信や赤外線通信を使用して、振動子４、５と無線通信するように構成することができる。加えて、処理ユニット１０は、上記の位相補正を適用するように構成することができる。位相補正用の適切なプログラムステップをメモリユニット１１に格納することができる。
【００６９】
表面の平坦度を求める装置は、図５に示した構造を有することもできる。
【００７０】
当然のことながら、本発明は、パイプやチューブに限定されるものではなく、他の物体の表面や壁、例えば、船体、飛行機胴体、車体、戦車装甲（の一部）、あるいは他の表面または壁構造体、例えば、保管タンク、ロッド、鋼橋、および建物内の金属構造体などに適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、表面点の数量を限定したモデルを使用することで、表面をモデル化する計算負荷を大幅に軽減でき、かつモデルで使用する表面点を内挿することで、モデルの精度を維持できるという見識に基づいている。本発明は、表面情報を収集するのにレイリー波がきわめて適しているというさらなる見識から利益を受ける。
【００７２】
本明細書で使用されたいずれの用語も、本発明の範囲を限定するものであると解釈すべきではないことに留意されたい。特に、「含む」および「含むこと」という文言は、具体的に記載のない任意の要素を除外することを意図するものではない。単一の要素は、複数の要素またはそれらの等価物と置き換えることができる。
【００７３】
当業者にとっては当然のことながら、本発明は、上記に説明した実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に定義した本発明の範囲から逸脱することなく、多くの修正および追加を行うことができる。
【図１】
0005466950.tif 000003
【図２】
0005466950.tif 000004
【図３】
0005466950.tif 000005
【図５】
0005466950.tif 000006
【図４】
0005466950.tif 000007