(57)【要約】  超音波減衰量を測定することによって対象の特性を決定するための方法及びシステムを開示する。ここで提案する方法では、対象の測定された超音波相互作用信号が、基準部分を使用した以外は同じ発生及び検出構成を使用して生成された基準信号と比較される。基準超音波信号は減衰が小さく、広帯域超音波パルスに対して対象と等価の回折特性を示す。その差異は、対象の減衰量に帰せられる。減衰スペクトルである周波数の関数としての減衰量はモデルとフィッティングされて、超音波減衰量によって異なる対象の多くの特性のうちの１つを特定するのに有用なパラメータが得られる。【選択図】  図１
2008545123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の材料特性を決定するために超音波減衰量の測定値を用いる方法であって、
（ａ）超音波検出器からの相互作用信号を前記対象上の検出位置において、前記対象中を進行する際に減衰されて前記検出位置に突き当たる広帯域超音波パルスに応じて受信するステップと、
（ｂ）振幅スペクトルを得るために、前記減衰パルスに対応する前記相互作用信号の一部分を時間領域から周波数領域に変換するステップと、
（ｃ）減衰スペクトルを得るために前記振幅スペクトルを基準振幅スペクトルと比較するステップであって、前記基準振幅スペクトルが、前記（ａ）ステップ及び前記（ｂ）ステップ又はそれらの等価物を伝搬広帯域超音波パルスに関して前記対象と等価の回折特性を有する基準片に適用することによって生成され、実質的に減衰がない、ステップと、
（ｄ）減衰パラメータを得るために、周波数依存減衰のモデルとの前記減衰スペクトルの最良フィッティングを決定するステップと、
（ｅ）減衰量によって決まる対象の材料特性を計算するために前記減衰パラメータを使用するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記（ａ）ステップ及び前記（ｂ）ステップ又はそれらの等価物の基準片への前記適用が、既知の減衰パラメータを有する基準片を選択するステップと、前記基準片の振幅スペクトル内の減衰量を補正するために既知の前記減衰パラメータを使用するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記（ａ）ステップ及び前記（ｂ）ステップ又はそれらの等価物の基準片への前記適用が、実質的に減衰がない基準片を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記基準片を選択する前記ステップが、前記試験対象と合致する形状を有し、前記試験対象と合致する超音波速度を有する材料から成る基準片を選択するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記検出位置に突き当たる前記広帯域超音波パルスの単一の表示に対応する前記相互作用信号の一部を識別することによって前記相互作用信号の部分を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記部分を決定する前記ステップがさらに、前記検出位置に突き当たる前記広帯域超音波パルスの単一の表示に対応する前記相互作用信号の一部を選択するための窓選択関数を適用するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記窓選択関数を適用する前記ステップがさらに、前記表示を前記窓内の中心に置くために前記相互作用信号との超音波パルスの標準プロファイルの相互相関を使用するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記部分を決定する前記ステップが、前記相互用信号内での前記部分のサーチを狭めるために、前記パルスの単一のエコーを含む前記相互作用信号の粗い時間窓を決定するための前記試験対象についての予備知識を使用するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記受信するステップ及び前記変換するステップが、前記対象からの複数の相互作用信号に繰り返し適用され、前記方法がさらに、前記複数の信号の平均値を計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
時間領域と周波数領域の両方で拒否基準を使用して前記エコー及び振幅スペクトルのそれぞれを確認するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記減衰スペクトルの最良フィッティングを決定する前記ステップが、前記試験材料と前記基準材料の間の周波数と無関係の信号強度偏差を明らかにするモデルとの最良フィッティングを特定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記最良フィッティングを特定する前記ステップが、前記減衰スペクトルのフィッティングの測定値を次式の形の曲線と比較するステップを含み、
α（ｆ）＝α０＋ａｆｍ＋ｂｆｎ
上式で、α０は信号強度の偏差を明らかにする任意の振幅オフセット、ｍ及びｎは前記減衰のそれぞれの基本的な機構に関連する周波数のベキ乗、パラメータａ及びｂは材料特性に関してかかわりのある機構からの寄与を表す、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記パラメータａがゼロである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記減衰スペクトルをフィッティングする前記ステップが、ｍ及びｎを固定したままで前記減衰パラメータを変化させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
モデルとの前記減衰スペクトルの最良フィッティングを決定する前記ステップが、減衰パラメータを得るために前記減衰スペクトルの導関数を用いる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記減衰パラメータを前記対象の特性と関連づけるために較正曲線を使用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記材料特性が多結晶固体中の結晶粒径である、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記材料特性が複合材料の多孔度である、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
コンピュータ可読の変調された搬送波信号と、
請求項１に記載の方法を実施するためのプログラム命令を実行するために前記搬送波信号に符号化される手段と
を備える物品。
【請求項２０】
請求項１に記載の方法を実施するためのプログラム命令を符号化するコンピュータ可読のメモリを備える物品。
【請求項２１】
対象の材料特性を決定するために超音波減衰量を測定するシステムであって、
（ａ）広帯域超音波パルスを前記対象内に放出し、前記対象中を伝搬した後に前記パルスを検出するための超音波パルス発生及び検出構成と、
（ｂ）前記検出された超音波パルスの相互作用信号をデジタル化するための受信器と、
（ｃ）信号プロセッサであって、
ｉ  前記検出されたパルスの単一の表示に対応する相互作用信号の一部を、振幅スペクトルを得るために時間領域から周波数領域に変換し、
ｉｉ  前記振幅スペクトルを、前記対象と等価の回折特性を有する基準片から既知の減衰量を有する基準振幅スペクトルと比較することによって減衰スペクトルを計算し、
ｉｉｉ  前記対象の特性を決定するのに使用される減衰パラメータを決定するために前記減衰スペクトルをモデルにフィッティングさせる信号プロセッサと
を備えるシステム。
【請求項２２】
前記信号プロセッサがさらに、前記振幅スペクトルを生成するために、前記対象からの１つ又は様々な位置での複数の相互作用信号の平均値を計算するように適合される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記信号プロセッサがさらに、前記振幅スペクトルを生成するために、前記複数の相互作用信号の時間領域又は周波数領域平均化処理を実施するように適合される、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記超音波パルス発生及び検出構成が、広帯域超音波パルスを発生するための発生レーザと、前記広帯域超音波パルスの表示を検出するための光検出システムに結合された検出レーザとを備える、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記発生レーザ及び検出レーザが前記試験対象の同じ側に向けられる、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記対象中を通る異なる経路に沿った減衰量に対応する減衰スペクトルを得るために、前記対象の表面全体にわたってスキャンする制御された動作システムをさらに備える、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記減衰スペクトルが、前記対象の材料特性の画像を生成するために使用される、請求項２６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
[01]本発明は、一般に非破壊超音波試験に関し、詳細には超音波減衰量を使用して対象の材料特性を決定する方法及びシステムに関する。
【関連技術の説明】
【０００２】
[02]超音波減衰量は、材料中を伝搬する間の超音波強度の減衰の程度であり、材料の特性を評価するために使用することができる。たとえば超音波減衰量は、多結晶固体中の、たとえばほとんどの金属中の結晶粒径と直接に関係する。結晶粒径は、多結晶固体の重要な機械的特性に強い影響を与える。超音波減衰量はまた、固体又は液体状態どちらの媒体中にも含まれる粒子の濃度及びサイズを決定するために、あるいは複合材料中の多孔度分布を決定するために使用することもできる。他の例としては、高分子材料の緩和挙動特性及び粘弾性特性を特徴づけるために超音波の減衰量と速度を組み合わせた使用法がある。超音波減衰をもたらす物理的な機構は散乱及び吸収を含み、その両方とも材料特性を特徴づけるために使用することができる。これらの物理的な機構（散乱及び吸収）は周波数に依存し、すなわち異なる周波数において異なる減衰率が観測される。狭帯域方式（この場合、測定値は一般に中心周波数で報告される）を使用して、あるいは周波数領域分析を含む広帯域方式を使用して超音波減衰量測定を行うことが知られている。
【０００３】
[03]減衰量測定に使用される１つの一般的な技術は、パルスエコー構成（反射方式）として知られ、接触媒質すなわち固体又は液体の緩衝剤（すなわち結合媒質）で試験対象に結合された圧電変換器によって超音波が発生され検出される。別の技術は透過構成（又は透過方式）であり、試験対象の両側に互いに向かい合う２つの変換器が超音波を送信し受信するために使用される。この透過構成では、材料の両側へのアクセスが必要である。また透過構成によれば、その変換器対は完全に整合され、又は完全に特徴づけられ、好ましくは両側に結合媒質を使用して試験対象と位置合わせされなければならない。第３の技術（ピッチキャッチ構成として知られる）は、通常は試験対象の同じ側に、ある間隔で互いに分離された一対の変換器を含む。このピッチキャッチ構成は、レイリー表面波の超音波減衰量、ラム波、ならびにバルク波の超音波減衰量を測定するために使用されてきた。
【０００４】
[04]減衰量測定のためのこれらの構成はまた、電磁音響変換器（ＥＭＡＴ）、空気結合変換器、又はレーザ超音波を使用する非接触超音波発生及び検出技術とともに使用することもできる。レーザ超音波は、短パルスによって超音波を発生する１つのレーザを使用する。レーザから超音波へのエネルギーの転移は、急なレーザ加熱による表面での熱膨張が超音波パルスの発生の原因となる熱弾性領域において、あるいはレーザエネルギーが表面の薄い層を除去し、超音波を含むプラズマを生成するアブレーション領域において起こりうる。
【０００５】
[05]長パルスを（さらには連続波も）用いる第２のレーザは、一般に検出用に使用される。この第２のレーザは、試験対象の表面の検出位置を照光し、減衰超音波パルスの到来による検出位置での反射光の位相偏移又は周波数偏移が、干渉計システムを使用して測定される。当技術分野で知られている超音波検出用の干渉計システムは、時間遅延干渉計に基づくものを含み、またＤ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ及びＤ．Ｅ．Ｃｈｉｍｅｎｔｉ編集の「Review of Progress in Quantitative Nondestructive evaluation Los.23A」、ＡＩＰ  Ｃｏｎｆ．Ｐｒｏｃ．、ニューヨーク州、２００４年、３〜３１ページ「Laser-ultrasonics: from the laboratory to industry」でＭｏｎｃｈａｌｉｎ  Ｊ．−Ｐによって説明されているように、波面適合のための非線形光学に基づくシステムを含む。超音波の発生と検出は、ある間隔を置いて行われ、結合液体及び従来の超音波工学の位置合わせ要件が不要になる。
【０００６】
[06]上記の構成のいずれかを使用して超音波減衰量を測定する従来の方法は、たとえば試験対象の面の間で反響する２つのエコー信号を使用して材料内の２つの伝搬距離に対する検出超音波パルスの減衰量（振幅）を決定することを含む。「Nondestructive testing Handbook」Ｖ．７、第２版、３８３〜４３１ページ、米国非破壊試験協会（ASNT）（１９９１年）、でＡ．Ｖａｒｙによって説明されているように、減衰量は、各周波数における２つのエコーの振幅を比較することによって計算される。
【０００７】
[07]残念ながら計算される減衰量は、両方のエコーのノイズによる影響を受け、すなわち両方の測定の不確実性により減衰値の精度が低下する。試験対象が厚く、及び／又は高減衰材料からなる場合には、第２のエコーは信号対雑音比（ＳＮＲ）がよくない。このような場合、２エコー減衰法では正確な測定が可能でないことがあり、第１のエコーのＳＮＲが十分に活用されない。従来の２エコー法の限度を考えると、超音波減衰量を決定するには単一エコー手法を使用することが強度に望ましい。しかし、エコーの振幅はまた、発生強度、結合効率、検出効率などにも依存する。従来の２エコー法では、１つのエコーとの比較が本質的にこれらの要因のすべてを明らかにし、それによってある正規化読取値を与える。
【０００８】
[08]従来の２エコー法に伴う別の困難は、試験対象に起因する本来の超音波減衰量を得るために超音波パルスの回折効果の補正が必要とされることである。試験対象の単純な形状については、回折の補正値を計算するために単純化した理論モデルが使用されてきたが、実際の状況での回折挙動はより複雑になることがある。
【０００９】
[09]完全に正規化された本来の超音波減衰スペクトルを生成するために、発生強度、結合効率、検出効率、及び回折によって引き起こされる変動を除去することは、材料特性を決定するのに単一エコーを使用することに関しての最も困難な課題である。パルスエコー構成のいくつかの実施形態では、試験対象の表面で反射される超音波パルス（すなわち入射エコー）を使用して正規化を実施して発生超音波パルスの強度を特徴づけることができ、それによって単一エコー相互作用信号の振幅を使用することが可能になる。透過構成では、正規化は、試験対象がない状態で結合媒質中を伝搬するパルスとの比較によってしばしば行われる。この構成は、材料の両側へのアクセスが必要であり、これは一部の産業応用例において可能ではない、あるいは好ましくないことがある。さらに、入射エコーの使用、又は上記の場合での試料除去読取では、本来の材料減衰量を得るための回折補正が不要にならない。使用されるシステムの特性の正確な知識とともに依然としてモデルが必要である。
【００１０】
[010]基準材料の減衰量と比較して材料特性を測定するレーザ超音波技術での単一エコーの使用が、Ｄｕｂｏｉｓらの米国特許第６６８４７０１号に教示されている。Ｄｕｂｏｉｓらは、試料複合材料の片側だけにアクセスすることによる試料複合材料の多孔度の超音波測定方法を教示している。この方法は、試料複合材料からの試料超音波信号を測定すること、試料複合材料上に発生の際の表面変位に対して試料超音波信号を正規化すること、及び試料超音波信号から試料後壁エコーを分離することを含む。次いで試料後壁エコーの試料周波数スペクトルが決定される。次に、この方法は、基準複合材料からの基準超音波信号を測定するステップと、基準複合材料上に発生の際の表面変位に対して基準超音波信号を正規化するステップと、試料超音波信号から基準後壁エコーを分離するステップとを含む。次に、基準後壁エコーの基準周波数スペクトルが決定される。この発明はさらに、試料副材料の超音波減衰量を試料周波数スペクトルと基準周波数スペクトルの比として、所定の周波数範囲にわたって導出することを含む。導出された超音波減衰量を所定の減衰標準と比較することにより、サンプリングされた複合材料の多孔度の評価が可能になる。
【００１１】
[011]Ｄｕｂｏｉｓらの方法は、上述のパルスエコー構成に限定される。Ｄｕｂｏｉｓらによれば、振幅を試験対象の表面に発生の際の表面変位と比較して各エコーを正規化することによって、発生強度及び検出効率の変動を補償する必要がある。この手法は、熱弾性領域でのレーザ発生超音波にだけ適用することができる。Ｄｕｂｏｉｓらによるこの方法はさらに、試験対象の表面を光が透過することによって引き起こされる変動を明らかにしていない。残念ながら表面変位は、透過光からの寄与が明らかでないので、超音波パルスのエネルギーの正確な尺度にならない。たとえば、炭素−エポキシ複合材料では、超音波発生レーザの光透過は表面のエポキシ層の厚さに依存し、この厚さは実際には大幅に変動し、決定するのが困難である。また、表面変位を使用する正規化は、発生レーザがプラズマを生成するアブレーション領域でのレーザ発生超音波には適用できない。発生時に強い信号を検出することができるが（特にパルスエコー法が使用される場合）、その強い信号は、表面変位の寄与を含みながら、プラズマの非常に変わりやすい屈折率の乱れによって主としてもたらされ、超音波パルスの強度を正確に測定するには信頼することができない。
【００１２】
[012]したがって、回折を補償する単一エコーを使用して超音波減衰測定値を導出する方法及びシステムが依然として必要とされている。
【発明の概要】
【００１３】
[013]本発明によれば、材料中を伝搬した単一の検出超音波パルスから対象の材料特性を決定するために超音波減衰量を使用する方法及びシステムが提供される。
【００１４】
[014]本発明は、どんな超音波技術（たとえば圧電変換器、レーザ超音波、及びＥＭＡＴ）、どんな種類の波（たとえば縦波、せん断波、及び表面波）、及びどんな発生／検出構成（たとえばパルスエコー、透過、及びピッチキャッチ）にも適用することができる。所与の技術、波モード、及び構成の場合に測定が、調査される材料について、また基準材料についても実施される。基準材料は、試験材料の本来の減衰量、及び信号強度の起こりうる変化を除いて、測定のシステム全体の応答（帯域、回折など）を特徴づけるために使用される。
【００１５】
[015]したがって、対象の材料特性を決定するために超音波減衰量を使用する方法が提供される。この方法は超音波検出器から相互作用信号を受信することを含む。相互作用信号は、超音波パルスが対象中を伝搬した後で対象の検出位置に突き当たる広帯域超音波パルスの少なくとも１つの表示（manifestation）を取り込む。対象中を伝搬する際に、超音波パルスは、１つ又は複数の物理的な機構によって減衰される。
【００１６】
[016]減衰超音波パルスに対応する相互作用信号の一部分は、振幅スペクトルを得るために時間領域から周波数領域に変換される。この部分は、検出位置に突き当たった広帯域超音波パルスの単一の表示に対応する相互作用信号の一部を識別することによって決定することができる。相互作用信号中に複数のエコーがある場合には、最も強いものを選択してよい。相互作用信号のその部分を選択することは、検出位置に突き当たる広帯域超音波パルスの単一の表示に対応する相互作用信号の一部を選択するための窓選択関数を適用することを含んでよい。たとえば、相互作用信号との超音波パルスの標準プロファイルの相互相関を使用して、表示を窓内の中心に置くことができる。相互作用信号内のその部分の探索の範囲を絞るために、試験対象についての事前の知識を用いて相互作用信号の粗い時間窓を決定することができる。
【００１７】
[017]振幅スペクトルが得られた後、それが基準振幅スペクトルと比較されて減衰スペクトルが得られる。基準振幅スペクトルは、基準片を使用して振幅スペクトルと同様に生成される。この基準片は、広帯域超音波パルスに対して対象と等価の回折特性を有するが、基準片は、減衰量を補正するために使用される既知の減衰パラメータを基準片の振幅スペクトル内に有するか、あるいは無視してよい減衰量を与えるように選択されるかのどちらかであるので、その基準振幅スペクトルには実質的に減衰がない。たとえば、試験対象と合致する形状を有し、試験対象と対等の超音波速度を有するが実質的に減衰がない材料からなるように基準片を選択することができる。
【００１８】
[018]振幅スペクトルは、減衰パラメータを得るために周波数依存減衰のモデルにフィッティングされる。次に、この減衰パラメータを使用して、減衰量によって決まる対象の材料特性を計算することができる。減衰パラメータの最良フィッティングの決定は、試験材料と基準材料の間の信号強度の周波数依存偏差を明らかにするモデルを使用することを含むことができる。詳細には、このモデルは、減衰パラメータを得るための減衰スペクトルの導関数を使用して信号強度の周波数依存偏差を明らかにすることができる。
【００１９】
[019]たとえば、最良フィッティングの決定は、測定された減衰スペクトルをα（ｆ）＝α０＋ａｆｍ＋ｂｆｎの形の曲線と比較することを含む。ここでα０は信号強度の偏差を明らかにする任意の振幅オフセット、ｍ及びｎは減衰のそれぞれの基本的な機構に関連する周波数のベキ乗、パラメータａ及びｂは材料特性に関してかかわりのある機構からの寄与を表す。パラメータａは、減衰に関して単一の基本的な機構だけがある場合にゼロになる。フィッティングは、ｍ及びｎを固定したまま減衰パラメータを変化させることを含むことができる。
【００２０】
[020]受信及び変換のステップは、対象からの複数の相互作用信号に繰り返し適用することができ、この方法はさらに、複数の信号の平均値を計算することを含む。この平均値は減衰スペクトルとして機能する。
【００２１】
[021]この方法はさらに、時間領域と空間領域の両方で排除基準を使用して相互作用信号及び振幅スペクトルを確認することを含むことができる。
【００２２】
[022]この方法はさらに、減衰パラメータを対象の特性と関連付けるために較正曲線を使用することを含むことができる。材料特性は、たとえば多結晶固体中の結晶粒径、又は複合材料の多孔度とすることができる。
【００２３】
[023]対象の材料特性を決定するために超音波減衰量を測定するシステムもまた提供される。このシステムは、広帯域超音波パルスを対象内に放出し、そのパルスを対象中を伝搬後に検出するための超音波パルス発生及び検出構成と、検出超音波パルスの相互作用信号をデジタル化するための受信器と、信号プロセッサとを含む。この信号プロセッサは、検出パルスの単一の表示に対応する相互作用信号の一部を、振幅スペクトルを得るために時間領域から周波数領域に変換するように適合される。
【００２４】
[024]信号プロセッサは、振幅スペクトルを基準振幅スペクトルと比較することによって減衰スペクトルを計算する。基準振幅スペクトルは、対象と等価の回折特性を有する基準片から導出される。基準振幅スペクトルには実質的に減衰がない。信号プロセッサは、減衰スペクトルをモデルとフィッティングさせて、対象の特性を決定するために使用される減衰パラメータを決定する。
【００２５】
[025]信号プロセッサはさらに、対象からの１つ又は様々な位置での複数の相互作用信号の平均値を計算して振幅スペクトルを生成するように適合することもできる。信号プロセッサはさらに、その複数の相互作用信号の時間領域又は周波数領域の平均化処理を実行して振幅スペクトルを生成するように適合することもできる。
【００２６】
[026]このシステムはさらに、対象の表面をスキャンする制御された動作システムを含むこともできる。信号プロセッサはさらに、減衰パラメータを使用して対象の材料特性の画像を生成することもできる。
【００２７】
[027]超音波パルス発生及び検出構成は、広帯域超音波パルスを発生する発生レーザと、広帯域超音波パルスの表示を検出する光検出システムに結合された検出レーザとを含むことができる。発生レーザ及び検出レーザは、試験対象の同じ側に向けることができる。
【００２８】
[028]本発明及びその利点は、添付の図面の参照と併せ以下の説明を考慮すればよりよく理解される。図面では、同じ参照数字は同じ機能を識別する。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００２９】
[043]本発明は、検出された減衰広帯域超音波パルスを使用して試験対象内の超音波減衰量を測定する方法及びシステムを提供する。この方法は、減衰広帯域超音波パルスに基づく測定を、さらなるエコー、表面偏移などを考慮しないで可能にする。実際上、単一の検出された減衰広帯域超音波パルスは、試験対象の回折パラメータ及び形状パラメータを補償する基準広帯域超音波パルスとの比較によって、効果的に正規化される。基準広帯域超音波パルスは、試験対象と等価の回折特性を広帯域超音波パルスに対して有する基準試料内で得られる。基準との比較は、検出スペクトルを基準スペクトルとともに分割することによって周波数領域内で行うことができる。重要なことには、基準試料中の減衰量が無視してよいほどか、あるいは基準試料中の減衰が完全に特徴づけられ、したがって基準スペクトルから除去されるかのどちらかであるので、基準スペクトルには実質的に減衰がない。
【００３０】
[044]ここで提案する方法は、低周波数において良好な応答性を有する広帯域超音波システムを備え、特に効率的である。この方法はまた、測定されるべき減衰量が周波数によって異なることが必要であり、これは材料との超音波相互作用のほとんどの機構について言えることである。
【００３１】
[045]図１は、ここで提案する超音波減衰方法を適用する場合の一実施形態による装置を示す。大まかには、この装置は、試験対象１０に広帯域超音波パルスを発生させるシステムと、広帯域超音波パルスを試験対象の一部を伝搬後に検出するシステムと、試験対象１０の減衰量を測定するように結合された信号プロセッサとを含む。調査される試験対象１０は、どんな幾何学的な形状でもよく、使用される構成にもよるが、試験対象１０の片側だけにアクセスすればよい。
【００３２】
[046]図示のシステムは、広帯域超音波パルスを発生する発生レーザ１２を含むが、代替実施形態では、上記に特定したものを含めて他の発生手段も使用できることを理解されたい。現在のところ好ましい実施形態では、発生レーザ１２は、試験対象１０内に超音波パルスを誘起させるためにアブレーション領域又は熱弾性領域どちらかで動作するパルスレーザである。パルスレーザの適切な波長及び出力密度と、試験対象１０の表面の発生位置とは、材料及び構成に応じて試験対象１０内に所望の特性を有する超音波パルスを生成するように選択することができる。
【００３３】
[047]広帯域超音波パルスを検出するシステムは、検出レーザ１４、及び光検出システム１６を含むことができる。検出レーザ１４は、試験対象１０の表面の検出位置上にビームを向ける長パルスレーザ又は連続レーザとすることができる。前述したように検出位置及び発生位置は、パルスエコー構成では同じであり、透過構成では両面であり、ピッチキャッチ構成によれば（通常は同一面上で）ある間隔で分離される。検出レーザ１４は、検出位置における試験対象１０の比較的によくない反射率を補償するために、比較的に高出力のレーザとすることができ、なおかつ検出用に十分な光出力を与えることができる。
【００３４】
[048]いくつかの実施形態では、発生レーザ１２及び／又は検出レーザ１４、及び光検出システム１６は、発生位置と検出位置の複数の対で超音波測定を実施するために、試験対象１０に対して移動可能であることが好ましい。複数の測定値を別々に使用して、異なる位置で試験対象１０の物理的特性を検出することができ、及び／又は空間平均化のために複数の測定値を組み合わせて、高い精度で試験対象の物理的特性の平均測定値を生成することもできる。これは、たとえば試験対象１０を移動することによって、装置を移動することによって、又は光デバイスを移動することによって行うことができる。
【００３５】
[049]検出レーザ１４は、光検出システム１６に結合される。光検出システム１６は、安定化共焦点ファブリペロー干渉計などの時間遅延干渉計とすることができ、あるいは前に紹介したように、波面適合用の非線形光構成要素を含んでもよい。光検出システム１６は、電気相互作用信号を信号取込及びプロセッサユニット１８に出力する。たとえば、信号取込及びプロセッサユニット１８は、電気相互作用信号をデジタル化するためのアナログ−デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）を含んでよい。
【００３６】
[050]信号取込及びプロセッサ１８は、検出超音波パルスの振幅スペクトルを生成するために、たとえば離散フーリエ変換を相互作用信号に適用することによって相互作用信号を時間領域から周波数領域に変換するように適合される。好ましくは、当技術分野で周知の高速フーリエ変換が使用される。好ましい実施形態では、相互作用信号の一部だけが変換され、この部分は、関連した超音波エコーだけが振幅スペクトル内に表され、多重反射又は多重エコーが混合されないように保証する窓選択機能によって選択される。
【００３７】
[051]信号取込及びプロセッサ１８はさらに、試験対象１０の振幅スペクトルを基準対象の振幅スペクトルと比較することによって減衰スペクトルを生成するように適合される。基準振幅スペクトルは、試験対象１０と同じように生成される。いくつかの実施形態では、基準対象は試験対象１０と同じ形状であり、類似の回折特性を有するが、広帯域超音波パルスは、基準対象中を伝搬する際に実質的に減衰を示さない。別法として等価基準振幅スペクトルを、異なる形状を有するが回折特性が等価である基準対象を使用して得ることができる。低減衰基準振幅スペクトルもまた、よく特徴づけられた減衰を有する基準対象を用い、超音波科学で周知の数式を使用して検出振幅スペクトルを補正することにより生成することができる。
【００３８】
[052]信号取込及びプロセッサ１８はまた、減衰スペクトルをモデルにフィッティングさせる。モデルの曲線との試験対象の減衰スペクトルの最良フィッティングは、試験対象の少なくとも１つの減衰パラメータを与える。次に、１つ又は複数の減衰パラメータを使用して、超音波減衰量によって異なる試験対象の物理的特性を導出する。好ましくは、信号取込及びプロセッサ１８は、相互作用信号、振幅スペクトル、減衰スペクトル、減衰パラメータ、及び導出された物理的特性を記憶するためのメモリ、ならびにその処理を実行するためのプログラム命令にアクセスできる。少なくとも導出された物理的特性は、その後で出力１９になる。１つ又は複数の記憶された情報は、たとえば表示ユニット又は他の出力デバイスによって、図又は数値で表示することができる。信号取込及びプロセッサ１８は、汎用コンピュータを含んでもよい。
【００３９】
[053]図２ａは、超音波減衰量を測定する方法の一実施形態を示す。説明を明確にするために、図３ａ、ｂ、４ａ、ｂ、及び５ａ、ｂを関連するステップの説明の際に参照する。ステップ１００で、減衰広帯域超音波パルスを表す相互作用信号が、たとえば図１に示す光検出システム１６から信号受信ハードウェアを介して受信される。相互作用信号は時間で変化する振幅信号であり、その振幅は、試験対象の表面の検出位置に超音波が到達することによる表面の動きに関連する。
【００４０】
[054]ピッチキャッチ構成での図１の装置を使用して検出された相互作用信号の一例が図３ａに示されている。相互作用信号は、光検出システム１６が発生レーザからのスプリアス反射光によって衝撃を与えられ、あるいは生成されたプラズマによって検出光が強く変調される発生乱れから始まる。生成アーティファクトは、発生レーザと検出レーザの両方に共通の波長を使用することによって悪化する可能性がある。引き続いて相互作用信号は、広帯域超音波パルスの第１、第２及び第３のエコーを示す。図３ａに示された相互作用信号では、ピッチキャッチ構成が低減衰材料に使用された。この構成での強い回折効果のために第１のエコーは、第２及び第３のエコーよりも振幅が小さくなる。このような実施形態での強い最初の回折のために、超音波パルスの高品質の第２のエコーを減衰量測定用に使用してもよい。せん断波が相互信号上の表示であることにも注意されたい。図では縦波が測定用に使用されるものとしているが、他の実施形態では他の超音波を代わりに使用できることを理解されたい。この方法は、どんな構成（パルスエコー、透過、ピッチキャッチなど）のどんなモードの超音波（縦、せん断、表面など）にも適用できることに注意されたい。
【００４１】
[055]したがって、解析されるべき相互作用信号の所望の部分を識別するための機構が必要とされている。出願者は現在、所望の超音波パルスの単一の表示（エコー）と関連する相互作用信号の一部分を識別するために窓選択関数（ステップ１０２）を使用することを選ぶ。本明細書では、超音波パルスの単一の表示を構成する相互作用信号の部分は、たとえ透過構成により超音波パルスがどの壁にもはね返らなくても、エコーと呼ばれる。材料の厚さ及び超音波速度が大まかに分かっている場合には、エコーの粗い時間窓を事前選択することによってサーチを狭めることが好ましい。その場合、近傍のノイズからエコーを識別すること、及び狭い時間窓の中心に位置決めすることを助けるために、超音波パルスの標準プロファイルとの比較を含む相互相関法を使用することができる。エコーのピーク振幅を従来の方法で決定されたノイズレベルと比較して、エコーが使用可能かどうかを判断することができる。エコーの品質があまりに低い場合には、相互作用信号が拒否されることもある。
【００４２】
[056]次にエコーは、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を適用することにより（ステップ１０４）周波数領域で表され、それによって振幅スペクトルを導出する。たとえば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを使用することができる。拒否基準は、ノイズ上にエコーが確実に識別できるように（前述のように）時間領域で使用され、周波数領域でも使用され、その場合ある振幅スペクトルを受け入れるか拒否するかを判断するために予測スペクトル形（たとえばガウス形）との類似性が使用される。相互作用信号が、当技術分野で一般に実施されているように、エイリアシングを防止しスペクトル漏洩を最小化する信号処理技術を施されることは、当業者には明らかであろう。図３ｂは、時間領域相互作用信号を概略的に示しており、エコーＡで示されたエコーが選択され、時間窓内の中心に置かれて、振幅スペクトルが得られる。この相互作用信号を生成するためにパルスエコー構成が使用された。
【００４３】
[057]いくつかの実施形態で、たとえば超音波パルスのエコーの振幅スペクトルが、試験対象の材料特性を確実に決定するために必要な品質の振幅スペクトルを与えるには不十分なＳＮＲを有する場合には、より高い精度の測定値を与えるために複数の振幅スペクトル測定値の平均値を計算することが好ましい。このように平均することは、相互作用信号を使用して時間領域で実施することができるが、現在のところ周波数領域で加算を実施することが好ましい。複数のスペクトルを平均することによって、より高い品質の振幅スペクトルを生成することができる。エコーが実質的に同期することを窓選択関数が保証するので、複数のスペクトルを平均する場合に窓選択関数の精度はより重要になる。つまり、窓選択関数は、正確に選び出されたエコーを使用して振幅スペクトルを生成するように異なるエコーを時間の経過順に並べ、それによってどんな重ね合わせオフセットによる誤差も最小化する。
【００４４】
[058]たとえば、異なる発生位置及び検出位置での試験対象の厚さの変化の補償が必要な場合に、窓選択関数は有利である。異なる発生位置及び検出位置での試験対象の厚さの変化により、超音波パルスの発生と検出位置のパルスの表示との間の時間が異なる結果になることは理解されるであろう。このような厚さの変化が存在する場合、各エコーは時間の経過順に並べることができず、デジタル信号の加算により適正な品質の集合デジタル信号が生成されない。窓選択関数は、スペクトルの時間オフセットにより生じる誤差をなくするための１つの機構である。
【００４５】
[059]多くの異なる種類の平均計算を適用できることが理解されよう。出願者は現在、合成スペクトルを使用する、すなわちＦＦＴ出力からの振幅情報と位相情報を含める周波数領域平均化を選ぶ。得られた振幅スペクトルが平滑であることが改善を示す。様々な位置での測定値を平均することが特定の状況でいくつかの利点を提示することが理解されよう。たとえば、試験対象の表面の検出位置によって異なる位相オフセットにコヒーレントノイズが存在する場合、複数の場所での平均化が統計的にＳＮＲを改善する。このようなコヒーレントノイズの一例としては、多結晶材料の相互作用信号中に存在するコヒーレント後方散乱粒子ノイズがある。
【００４６】
[060]したがって、任意選択のステップ１０６〜１０８は、平均化を実施するために適用することができる。ステップ１０６で、平均されるべき別の振幅スペクトルがあるかどうかが判定される。別の振幅スペクトルが平均されるべき場合、処理はステップ１００に戻る。許容できる減衰スペクトルを与えるために必要な振幅スペクトルの数は、実験的に確定することができ、様々な応用例に関連する精度要件によって決まる。最後の振幅スペクトルが得られた後、ステップ１０８で振幅スペクトルが平均され、ステップ１１０でその平均振幅スペクトルが処理される。
【００４７】
[061]図４ａ、ｂは、相互作用信号中のノイズを低減させるために平均することの効果を概略的に示す。図４ａには受信されたときの単一の相互作用信号が示されているが、１２個の相互作用信号が時間領域で平均されて図４ｂに示される平均相互作用信号が生成される。１２個の信号は、窓選択関数を使用せずに時間領域内で加算され、超音波発生を基準にして時間の経過順に並べられるが、これは、たとえば同じ発生位置及び検出位置での測定値の平均値を取る場合、又は別の方法で厚さが各測定で変化しない場合に適している。図４ａのＳＮＲに比べて改善されたＳＮＲを図４ｂが示していることは、検証すれば当業者には理解されよう。
【００４８】
[062]ステップ１１０で、試験対象の振幅スペクトルが基準対象の振幅スペクトルと比較される。上記で説明したように、基準振幅スペクトルは、ステップ１００〜１０８を試験対象の代わりに基準対象に適用することによって生成することができ、基準対象は、試験対象と（超音波に関して）等価の回折特性を有するが、実質的に減衰がない。したがって、基準振幅スペクトルは、図２ｂを参照して以下に説明する方法を使用して導出することができる。
【００４９】
[063]より具体的には、周波数の関数としての試験対象内の超音波の減衰量（すなわち減衰スペクトル）は、基準対象のスペクトルと試験対象のそれとの比として計算される。一般に減衰量は、波が進行した距離の関数になり、したがって減衰スペクトルは、試験対象中で超音波パルスが進行した距離によって導出することができる。この距離は、当業者には理解されるように、事前に決めることができ、機械的に測定でき、あるいは発生と検出の間の進行時間、又はエコー間の時間によって計算することができる。
【００５０】
[064]たとえば、減衰スペクトルをデシベル単位で計算するには次の式を使用することができる。
【数１】
2008545123.tif 000003
上式で、ｆは周波数、αは得られた減衰スペクトル、ｄは超音波パルスが進行した距離、Ａｒｅｆ（ｆ）は減衰が小さい（無視してよい）基準材料で得られた信号の振幅スペクトル、Ａ（ｆ）は試験対象の振幅スペクトルである。減衰スペクトルαが、基準材料に対する相対減衰測定値になることに注意されたい。振幅スペクトルを以下に説明するようにモデルとフィッティングさせる場合には、材料特性を評価するのに絶対減衰スペクトルを必要としない。基準材料が何らかの既知の減衰量を提示する場合、そのような減衰量は単純に式（１）のＡｒｅｆから除去される。
【００５１】
[65]図５ａは、試験対象の振幅スペクトル２０、及び基準振幅スペクトル２１の典型的な例を示す。基準振幅スペクトル２１が振幅スペクトル２０よりも大きな振幅であることに注意されたい。このことは同じ条件が試験対象と基準対象の両方に適用されたときはいつでも起こるが、本発明の範囲内では必ずしもそうではないことを理解されたい。超音波検出器の感度、又は超音波発生器の強度が異なる場合には、本発明のシステムは、任意の振幅オフセットを補償するモデルを使用することができる。その場合、減衰スペクトルは、ステップ１１２で減衰のモデルにフィッティングさせる。減衰スペクトルが絶対減衰測定値でなく相対測定値であるので、減衰スペクトルは、周波数と無関係の振幅変動を明らかにしない。したがってフィッティングは、好ましくは、発生時のパルス強度の起こりうる変動、及び検出感度を明らかにするモデルを用いて、試験材料と基準（すなわち振幅オフセット）の間で実施される。
【００５２】
[066]減衰の原因である多くの物理的機構は、周波数のベキ乗則によってモデル化することができる。このような１つの機構が存在する場合、測定された減衰量は次式のモデルにフィッティングさせることができる。
α（ｆ）＝α０＋ｂｆｎ  （２）
上式で、ｎは周波数ベキ乗、α０は周波数と無関係の信号強度の変動を明らかにするパラメータ、ｂは材料特性に関連する物理的減衰機構を表す。モデルの２つのパラメータα０、ｂどれもが曲線を定義することを理解されたい。ある曲線との減衰スペクトルのフィッティングの程度は別の曲線について比較される。フィッティングの程度が最適の曲線は、当技術分野で周知の方法で、モデルとの減衰スペクトルの最良フィッティングに決定される。フィッティングの結果、減衰パラメータα０及びｂが決定される。
【００５３】
[067]パラメータα０は、試験対象の物理的特性を決定するのに必要ではなく、このオフセットへの寄与が特定できない限り、α０は、システムのどの関連するパラメータにも対応しない。したがって、減衰スペクトルの減衰値オフセットは無視することができる。上記で定義されたモデルにより、信号強度の変動の補正を必要とすることなく周波数変動減衰の特定が可能になる。堅牢性のためにパラメータｎは、フィッティング手順中は固定されたままであることが好ましく、値が０から４の範囲である。たとえば、かかわりのある支配的な機構がレイリー領域内の散乱である場合、ｎの値は４になり、それによって周波数の４乗で決まる減衰量に対応する。
【００５４】
[068]散乱と吸収など、２つの物理的機構が減衰に寄与する場合、測定された減衰量は次の関数にフィッティングさせることができる。
α（ｆ）＝α０＋αｆｍ＋ｂｆｎ  （３）
上式で、ｍ及びｎは、それぞれ吸収及び散乱に関する周波数ベキ乗である。同様に、パラメータａ及びｂは、材料特性に関してかかわりのある２つの機構の係数である。吸収及び散乱の一般によく認められているモデルによれば、ｍは約０．２から約１．５であり、ｎは約１．５から約４の間である。再び、堅牢性のためにｍ及びｎは、フィッティング中は固定されたままであることが好ましく、またあまりに近接すべきではない。両方の周波数ベキ数ｎとｍが近接している場合には式（２）を使用しなければならず、ｎは、かかわりのある両方の機構に関する実効的な周波数ベキ数であり、この場合、各機構からの寄与を識別することができない。試験対象の物理的特性を計算するために、ただ１つ又は複数のパラメータが必要になりうることを理解されたい。
【００５５】
[069]上記の関数を用いてまた、信号強度の変動を明らかにするパラメータα０を検査によって簡単に推定し、フィッティング手順を適用している間固定したままにすることもできる。
【００５６】
[070]図５ｂは、測定されモデル２６にフィッティングされた減衰スペクトル２５を示す。測定された減衰スペクトル２５は、基準減衰スペクトルに対する相対減衰測定値である。減衰測定値２５に最良フィッティングするモデルと一致する曲線２６は、モデルの多くの曲線のうちの１つであることを理解されたい。曲線２６とのフィッティングがオフセット程度と、試験対象の少なくとも１つの材料特性についての評価を可能にするパラメータとの両方を与える。
【００５７】
[071]いくつかの応用例では、減衰スペクトルの１次導関数によって異なる材料特性が必要である。これにより、試験材料と基準の間の信号強度の変化に関連する定数因子α０が除去される。減衰スペクトルの導関数は、当技術分野で周知の方法を使用して数値で得ることができる。
【００５８】
[072]図２ｂは、基準振幅スペクトルを生成する方法の一実施形態を示す。ステップ１２０で、基準対象中の経路を通って伝搬した後の超音波パルスを表す相互作用信号が取得される。基準対象は、完全に特徴づけられた減衰特性（好ましくは無視してよいほどの減衰量）を有し、基準対象中の経路は、図２ａで使用された試験対象を通る経路と等価の回折特性を有する。基準振幅スペクトルは、システム全体の応答性（帯域幅、回折など）を補正するために使用される。基準材料の適切な選択により、回折効果は、両方の信号でほぼ同一にすることができ、その結果Ａｒｅｆとの比較（Ａｒｅｆでの除算）によって自動的に除去される。等価の回折挙動を有するように、基準材料は、当業者には理解されるように、同じ形状及び超音波速度、あるいはこれらのパラメータの組合せを有するように選択して等価の回折条件を与えることができる。基準振幅スペクトルは、好ましくは試験対象に適用されるのと全く同じ発生手順及び検出手順を使用する。
【００５９】
[073]ステップ１２２で、上述したように、時間窓（すなわち広帯域超音波パルスの所望のエコー又は同様な表示に対応する相互作用信号の一部分）を特定するために１つの手順が適用される。その後、時間窓内の相互作用信号が周波数領域に変換されて（ステップ１２４）基準振幅スペクトルを生成する。基準対象が示す超音波減衰量が無視してよいほどである場合には、基準振幅スペクトルは、ＤＦＴ又はＦＦＴを信号に適用することによって計算される。そうでなければ、当技術分野及び超音波科学の技術者によく知られた方法で、特徴づけられた減衰が、生成された振幅スペクトルを補正するために使用されて非減衰基準振幅スペクトルが作成される。より小さい減衰量の基準材料を使用することによって減衰量補正の程度を低減できることを理解されたい。
【００６０】
[074]試験対象について上述したのと同様に、基準対象のスペクトルは、１つ又は複数の場所で取得された複数の測定値で平均することができる。
【例示的な応用例】
【００６１】
[075]ここで提案する方法及びシステムには多くの応用例がある。
【００６２】
[076]第１の例は、レーザ超音波減衰量測定を用いる、製造ライン上での金属の結晶粒径の決定である。非常に多くの場合、冷却中のオーステナイト分解と関連するオーステナイト結晶粒径が、鋼鉄の機械的特性を決定するための最も重要な冶金学的パラメータになる。鋼鉄片の管理された熱機械加工を正確に適用するために、まず鋼鉄片のオーステナイト結晶粒径が決定されなければならない。したがって、製造ライン中でオーステナイト結晶粒径を決定する能力は、大いに求められている技術である。
【００６３】
[077]上述の方法は、広範囲の結晶粒径（２０〜３００μｍ）、及びシームレス鋼管の比較的厚い材料（３０ｍｍまで）について、超音波減衰量からオーステナイト結晶粒径を定量的に決定するために使用された。そのシステムは、超音波パルス発生用のＱスイッチネオジム：イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザと、ピッチキャッチ構成での検出用の長パルスＮｄ：ＹＡＧレーザから成るものであった。検出位置に入射する超音波パルスによって変調された検出光は、ファブリペロー干渉計によって復調される。
【００６４】
[078]較正のために、異なるグレードの鋼鉄試料がグリーブル（Gleeble）熱機械シミュレータ内で９００℃から１２５０℃の範囲で加熱され、結晶粒成長を飽和させるために約１０分間保持された。熱サイクル全体を通して、レーザ超音波測定が実施された。適切な時間（鋼鉄グレードによる）の焼入れの後、前のオーステナイト結晶粒がエッチングによって露呈され、画像解析によって定量的に特徴づけされた。測定はまた、同じ形状及び超音波速度を有し、基準振幅スペクトルを得るために減衰量が小さい鋼鉄の基準試料についても実施された。
【００６５】
[079]図６は、結晶粒径決定のための製造ライン上実施の検出超音波パルスに対応する相互作用信号を示す。発生機器と検出機器の構成は、上述のピッチキャッチ構成であった。
【００６６】
[080]図７ａは、超音波減衰パラメータｂの結果を用いて平均結晶粒径を解明するための較正曲線の例のグラフであり、ここでｂは、減衰スペクトルをモデルにフィッティングすることにより得られる。結晶粒径は、標準的な金属組織学技術を用いて得られる。
【００６７】
[081]実際の製品を使用する産業環境での応用例では、正確なライン上測定に対し多くの障害がある。管表面が検出レーザ光をあまりよく反射しなかったので、ＳＮＲが重大な問題であった。減衰スペクトル品質を改善するために、管に沿って多くの位置で得られた超音波相互作用信号を平均して振幅スペクトルが計算され、そこで管の一部分について、又は管全体にわたって結晶粒径が評価された。合成スペクトルを使用する上述の周波数領域平均化手順が適切であることが判明した。
【００６８】
[082]図７ｂは、レーザ超音波システムによってライン上で測定され図７ａの較正曲線を使用して解明されたオーステナイト結晶粒径と、同じ管について適切な焼入れ後に金属組織学によって得られた結晶粒径との比較を示す。製造ラインの条件により、その超音波測定値は、管理された研究所の条件で実施された超音波測定値よりも精度が低いと予測された。前のオーステナイト結晶粒径の「装飾（decoration）」を可能にする適切な冷却手順を製造環境で適用することが本質的に困難であるので、金属組織学を用いた結晶粒径測定値の精度は低下した。０．５から１ＡＳＴＭという推定される金属組織学結晶粒径精度によって、統計的な分析は、ライン上で決定されたレーザ超音波結晶粒径が、金属組織学により得られたのと少なくとも同じ精度を有していたことを示す。
【００６９】
[083]ここで提案する方法及びシステムの第２の例示的な応用例は、複合材料試験の分野にある。表面が平面で長方形、寸法が１００ｍｍ×１２０ｍｍ、厚さが６．３ｍｍである炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の試験試料が製作された。熱弾性領域内に良好な超音波発生を得るために、複合材料の表面に薄い層の塗料が塗布された。
【００７０】
[084]この応用例を検証するために使用された発生及び検出構成は、バルク超音波を発生するための多モードＣＯ２レーザを含むものであった。位相復調用のファブリペロー干渉計に結合されたネオジム：イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザが超音波検出用に使用された。発生用のレーザスポットサイズは約６．５ｍｍで、検出用のレーザスポットサイズは約５ｍｍであった。パルスエコー構成により、発生スポットと検出スポットはほとんど重ね合わせられた。このシステムの周波数感度範囲は１〜１０ＭＨｚであった。レーザ超音波測定は、試験対象内部の多孔性領域を突き止めるために実施された。その表面全体にわたって平行線の形で掃引することによって、２次元スキャンが表面で行われた。各測定場所は隣り合う測定場所から１．４７ｍｍだけ隔てられた。
【００７１】
[085]図８ａは、後壁エコーの振幅の無彩色スケールＣスキャン画像である。円形のスポットＳ１〜Ｓ３が約１８ｍｍの寸法で鮮明に観察され、試験試料中の細孔の場所として識別された。
【００７２】
[086]図８ｂは、図８ａで識別された多孔性領域Ｓ１、Ｓ２及びＳ３内の振幅スペクトルを示す。これらの減衰スペクトルを得るために使用された基準スペクトルは、材料が正常であると分かっている場所の後壁エコーから取得された。細孔又は他の欠陥が明らかではない場所のＣＦＲＰ材料中では超音波減衰を無視してよいことが当業者には理解されよう。複合材料中では、その減衰スペクトルは、特定の周波数範囲で、この場合１〜８ＭＨｚでほぼ線形の挙動を示すことが推定される。材料科学で周知のように、細孔／体積の分数Ｐｖは、減衰スペクトルの１次導関数（すなわち傾き）によって直接、減衰が主として散乱効果によって生じるその線形領域内で変化する。したがって、
【数２】
2008545123.tif 000004
上式でｃは、材料及び細孔形状に固有の比例定数である。
【００７３】
[087]導関数を取ることによって周波数に無関係の定数因子がなくなるので、細孔含有率を決定するためのこのモデルを使用すると、信号強度の変動の補正が不要になることに注意されたい。この試料についてｃの値を７．５体積％ｍｍＭＨｚ／ｄＢとすると、領域Ｓ１、Ｓ２及びＳ３内の推定される細孔含有率は、それぞれ１．０、０．８及び１．５％になることが分かる。これらの推定値は、試験試料の作製に伴う公称値と一致する。
【００７４】
[088]もちろん、他の多数の上記方法の応用例を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく考慮に入れることができる。レーザ超音波を用いた上記の実施形態に加えて、ここで提案する方法は、圧電変換器又はＥＭＡＴを用いるなど異なる超音波技術を使用して、どんな種類の波（縦、せん断、表面など）、及びどんな構成（パルスエコー、透過、ピッチキャッチなど）にも適用することができる。所与の技術、波モード及び構成の場合に、試験は、試験材料と、低い減衰基準スペクトルを生成する基準材料とに適用されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態によるシステムの概略図である。
【図２ａ】超音波減衰量を使用して材料特性を決定する方法のブロック図である。
【図２ｂ】図２ａの方法で使用される基準スペクトルを得る方法のブロック図である。
【図３ａ】レーザ超音波システムを使用して得られた時間領域超音波相互作用信号の例の線図である。
【図３ｂ】レーザ超音波相互作用信号の窓の例、及び対応する振幅スペクトルの線図である。
【図４ａ】対象上の検出位置で単独の測定により得られた超音波相互作用信号の線図である。
【図４ｂ】対象上の１２箇所の位置での測定により取得された平均超音波相互作用信号の線図である。
【図５ａ】対象振幅スペクトル及び基準振幅スペクトルの例の線図である。
【図５ｂ】測定されモデルとフィッティングされた減衰スペクトルの線図である。
【図６】結晶粒径測定応用例で得られた相互作用信号の線図である。
【図７ａ】フィッティングされた減衰パラメータ「ｂ」に対する較正曲線の例の線図である。
【図７ｂ】レーザ超音波システムによりライン上で測定された結晶粒径に対する、金属組織学により得られた結晶粒径の比較の線図である。
【図８ａ】複合材料試料中の多孔性の位置を表すＣスキャン画像である。
【図８ｂ】複合材料試料の多孔性部分の減衰スペクトルの線図である。
【図１】
2008545123.tif 000005
【図２ａ】
2008545123.tif 000006
【図２ｂ】
2008545123.tif 000007
【図３ａ】
2008545123.tif 000008
【図３ｂ】
2008545123.tif 000009
【図４ａ】
2008545123.tif 000010
【図４ｂ】
2008545123.tif 000011
【図５ａ】
2008545123.tif 000012
【図５ｂ】
2008545123.tif 000013
【図６】
2008545123.tif 000014
【図７ａ】
2008545123.tif 000015
【図７ｂ】
2008545123.tif 000016
【図８ａ】
2008545123.tif 000017
【図８ｂ】
2008545123.tif 000018
【国際調査報告】
2008545123.tif 000019
2008545123.tif 000020
2008545123.tif 000021