(57)【要約】積層構造に対する損傷を超音波で評価する技術は、較正モードと試験モードとを含む少なくとも２つの動作モードを有する診断装置の使用を含んでおり、較正モードは試験を受ける積層構造に特有の較正パラメータを提供する。較正は構造の損傷のない部分について行われる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の較正パラメータを決定するために積層構造の損傷のない部分を使用して診断装置を較正し、
前記１以上の較正パラメータを使用して積層構造の疑いのある部分に対して１以上の試験サイクルを実行するステップを含んでいる前面および後面を有する積層構造に対する損傷を評価する方法。
【請求項２】
診断装置は第１の周波数を有する超音波パルスを放射し、診断装置は第１の周波数の反射されたパルスを検出するように構成されている請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記較正パラメータは後面反射パルスの振幅パラメータと後面反射パルスのタイミングパラメータの少なくとも１つを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記較正パラメータは後面反射パルスの振幅パラメータと後面反射パルスのタイミングパラメータの両者を含んでいる請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記較正パラメータは後面反射パルスの振幅パラメータと後面反射パルスのタイミングパラメータだけを含んでいる請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記第１の周波数は約２．５ＭＨｚ乃至約１０ＭＨｚの間の周波数である請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記第１の周波数は約５ＭＨｚである請求項３記載の方法。
【請求項８】
放射された超音波パルスは通常、ベル型の振幅プロフィールを有する請求項２記載の方法。
【請求項９】
較正ステップは、損傷のない部分における積層構造の表面に対して診断装置を接触させるステップを含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１０】
試験サイクルを実行するステップは、疑いのある部分における積層構造の表面に対して診断装置を接触させるステップを含んでいる請求項９記載の方法。
【請求項１１】
超音波エコープロフィールに基づいて、積層構造の疑いのある部分に対して試験サイクルを行い、
積層構造の疑いのある部分が較正パラメータに適合するか否かを決定するステップを含んでおり、前記較正パラメータは試験を受ける特定の積層構造の損傷のない部分についての情報を提供する前面および後面を有する積層構造を超音波で試験する方法。
【請求項１２】
前記較正パラメータは試験を受ける積層構造の後面反射パルスの時間と試験を受ける積層構造の後面反射パルスの振幅との少なくとも１つを含んでいる請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記較正パラメータは後面反射パルスの時間と後面反射パルスの振幅の両者を含んでいる請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
さらに、エコープロフィールに基づいて、損傷のタイプを決定するステップを含んでいる請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
さらに、エコープロフィールに基づいて、損傷の深さを決定するステップを含んでいる請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
超音波パルスを積層構造へ放射し、
積層構造のエコープロフィールを検出し、
１以上の較正パラメータを決定するステップを含み、それらの較正パラメータは試験を受ける積層構造の損傷のない部分についての情報を提供する積層構造中の潜在的な損傷を検出できる診断装置の較正方法。
【請求項１７】
前記較正パラメータは後面反射パルスの振幅パラメータと後面反射パルスのタイミングパラメータの少なくとも１つを含んでいる請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記較正パラメータは後面反射パルスの振幅パラメータと後面反射パルスのタイミングパラメータの両者を含んでいる請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
積層構造を音波で評価する積層測定手段と、
前記測定手段に結合され、前記測定手段からの信号に基づいて、積層構造の損傷されたことの指示／損傷がないことの指示を提供する表示手段とを具備している積層診断装置。
【請求項２０】
前記測定手段は積層構造の損傷のない部分を測定するため較正サイクルを使用する請求項１９記載の積層診断装置。
【請求項２１】
前記測定手段はさらに、積層構造の疑いのある部分を評価するための試験サイクルを使用する請求項２０記載の積層診断装置。
【請求項２２】
前記測定手段は、試験サイクル期間中に積層構造を評価するために、較正サイクル期間中に生成された積層構造についての情報を使用する請求項２１記載の積層診断装置。
【請求項２３】
前記表示手段は損傷されたことの指示／損傷がないことの指示を提供する請求項１９記載の積層診断装置。
【請求項２４】
前記表示手段はさらに、積層内部の損傷された部分の深さの指示を与える請求項２３記載の積層診断装置。
【請求項２５】
前記表示手段はさらに、損傷された部分の損傷のタイプの指示を与える請求項２４記載の積層診断装置。
【請求項２６】
データ捕捉装置と音波トランスデューサとに結合された試験管理装置を具備し、
診断装置は較正サイクルと試験サイクルを使用し、較正サイクルは１以上の較正パラメータを生成し、試験サイクルは積層構造の一部が損傷されているか否かを評価するために１以上の較正パラメータを使用する積層構造に対する損傷量を評価する診断装置。
【請求項２７】
前記較正パラメータは試験される特定の積層構造の損傷のない部分についての情報を提供する請求項２６記載の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料の非破壊的試験のための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本来、木材のような自然から入手可能であり比較的軽い重量の材料は航空機の建造に使用される最も普通の材料である。しかしながら、新しい合金の開発によって、航空機の建造産業は大工職のものから金属成形のものに移行した。
【０００３】
比較的最近、“複合物”または“複合材料”として知られる新世代の材料が開発された。ある複合材料はしばしば金属と比較して優秀な強度対重量比を与え、それらが種々の航空機産業に受け入れられるようになることはほぼ一般的な傾向である。
【０００４】
通常、複合材料には２つの主要な類型、即ちハニカム構造と積層がある。ハニカム構造は翼および所定の航空機のその他の戦略的位置に置かれるとき、（それらの重重のために）均等ではない構造的支持を与える異例の軽い重量材料である。積層材料は、通常はハニカム構造ほど軽くはないが、任意の市場で実行可能な金属等価物よりも軽く、典型的に任意のハニカム構造よりも非常に強い構造である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
全ての材料に関して、積層は過酷で高速度の衝撃から損傷を受ける。残念ながら、高速度の衝撃による結果的な損傷の正確な程度は常に分かることはできない。即ち、積層型構造に対する衝撃がその表面だけを傷つける例がしばしば存在するが、それにもかかわらず、容易に検出されることのできない積層構造の深部に広範囲の損傷が生じる。超音波画像装置のような種々の診断装置がこのような隠れた損傷を評価するのに有効であるが、これらの既存の装置は非常に高価であり、適切に使用するために実質的な訓練量を必要とする。したがって積層構造中の損傷を検出するための新しい方法およびシステムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下説明する方法を使用する多くの利点の１つは、携帯可能で、例のない程簡単な使用であり、信頼性があり正確な廉価な診断装置が作られることができることである。
【０００７】
例えば、前面および後面を有する積層構造に対する損傷を評価するための方法を説明すると、その方法は１以上の較正パラメータを決定するために積層構造の損傷のない部分を使用して診断装置を較正し、１以上の較正パラメータを使用して積層構造の疑わしい部分に対して１以上の試験サイクルを実行するステップを含んでいる。
【０００８】
さらに、前面および後面を有する積層構造を超音波で試験する第２の方法が開示され、この方法は超音波のエコープロフィールに基づいて積層構造の疑いのある部分について試験サイクルを実行し、較正パラメータが試験を受ける特定の積層構造の損傷のない部分についての情報を提供することを考慮して、積層構造の疑いのある部分が較正パラメータに適合するか否かを決定するステップを含んでいる。
【０００９】
さらに、積層構造中の潜在的な損傷を検出することのできる診断装置を較正する方法が開示され、この方法は超音波パルスを積層構造へ放射し、積層構造のエコープロフィールを検出し、１以上の較正パラメータを決定するステップを含んでおり、較正パラメータは試験される積層構造の損傷のない部分についての情報を提供する。
【００１０】
積層構造に対する損傷量を評価する診断装置についても開示されている。種々の実施形態において、診断装置はデータ捕捉装置および音響トランスデューサに結合されている試験管理装置を含むことができ、診断装置が較正サイクルおよび試験サイクルを使用するように構成されており、較正サイクルは１以上の較正パラメータを生成し、試験サイクルは積層構造の一部が損傷されているか否かを評価するために１以上の較正パラメータを使用する。
【００１１】
したがって、ここでの詳細な説明が良好に理解されるように、および技術に対する本発明の貢献が良好に認識されるように、本発明のある実施形態のかなり広義の概要を説明する。勿論、本発明の付加的な実施形態を以下説明し、参照し、これは特許請求の範囲の主題を形成する。
【００１２】
これに関して、本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は構造の詳細に対して、および以下の説明で説明されており、或いは図面に示されているコンポーネントの配置に対して、その応用で限定されないことが理解されるべきである。本発明はこれらの説明に付加された実施形態が可能であり、種々の方法で実施または実行されることができる。また、ここで使用されている語法および用語ならびに要約書は説明の目的のためであり、本発明を限定するものとみなされるべきではないことが理解されよう。
【００１３】
このようにして、当業者はこの説明の基礎となっている概念が他の構造の設計、本発明の幾つかの目的を実行するための方法およびシステムに対する基礎として容易に使用されることができることを認識するであろう。それ故、特許請求の範囲は本発明の技術的範囲を逸脱しない限り、このような等価構造を含むと考えることが重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
前述したように、超音波画像装置のような診断ツールは積層構造に対するこのような隠れた損傷をアクセスするのに利用可能である。残念ながら、このようなツールは非常に高価であり、適切に使用するのは実質量の訓練を必要とする。しかしながら以下概要を説明する方法およびシステムは高価格および訓練の問題を克服する方法を概要する。即ち、以下参照される方法およびシステムにより、オペレータはプロセス中の隠された損傷を簡単に率直に診断できるので、種々の実施形態において、試験を受ける構造に対して小さいハンドヘルドのツールを単に接触させ、その後、単一の発光ダイオードの状態を参照するだけにすることができる。
【００１５】
図１は、航空機、自動車またはその他の乗物で見られるような任意の数の構造、または強力である軽量の材料を利用する任意の他の構造で使用されることができる例示的な積層構造100を示している。図１に示されているように、この積層構造100は前面120と後面130を有し、１０個の個々の積層シート110-1乃至110-10から構成され、このような積層シート110-1乃至110-10は適合可能な結合材料（図示せず）により共に接合されている。
【００１６】
例示的な積層シート110-1乃至110-10はグラファイトファイバのシートからなり、例示的な結合材料（図示せず）はエステルベースの樹脂からなる。しかしながら、積層シート110-1乃至110-10の特定の構成は炭素ベースのファイバ、金属ホイル、ポリマーベースのファイバ（例えばケブラー）或いは本発明の技術的範囲を逸脱せずに積層構造を形成するのに有用な任意のその他の既知または今後開発される材料を含むように変化されることができることを認識すべきである。同様に、図１の積層構造100はエステルベースの樹脂を使用して形成されるが、他の結合材料も設計の選択肢に基づいて、または本発明の技術的範囲を逸脱せずに必要に応じて使用されることができる。
【００１７】
通常の使用期間中、積層材料は偶発的な損傷を受ける。例えば、それらの翼の前面をカバーするために積層材料を使用する種々の高速度の航空機は、飛行の度に、鳥および種々の空中の物体からの衝突の損傷を予測できる。明らかに、幾つかの例では、結果的な損傷は非常に軽いが、別の例では、損傷は中程度から深刻な程度になる可能性もある。例えば図２Ａに示されているように、図１の積層構造100は非常に軽く損傷されているので、衝突場所210で表面損傷だけが生じているとして示されている。
【００１８】
しかしながら、類似の衝突は容易に明らかではない損傷を生じる可能性がある。例えば図２Ｂに示されているように、図２Ａに関して説明されたのと同じ衝突は衝突場所210の同じ損傷を含む第１の損傷された領域210を生成するが、さらに積層シート110-2と110-3との間に位置されるひび割れ220を含む複数の隠されたひび割れを含んでいる可能性がある。
【００１９】
通常、ひびは２つの積層シートの間、または何等の開いたギャップも生じない特定の積層シートを通る割れ目である可能性があることが理解されるべきである。たいしたことのない問題であるように見えるが、時にはたいしたことのないひびでさえも、積層がそれらの結合された層化から強度を得るので、積層構造の一体化に対して実質的な脅威を表すこともありうる。
【００２０】
さらに、図２Ｃに示されているように、さらに重度の衝撃が第２の損傷された領域214に生じる可能性があり、これは図２Ａと図２Ｂに示されている基体100よりも傷が深いことを示している。図２Ｃに示されているように、第２の損傷された領域210は（図２Ａと図２Ｂの表面損傷と丁度同じに見える可能性のある）表面損傷210と、複数のひび割れと、空隙230とを含んでいる。ひびと対照的に、空隙は接合されているべき２つの積層シートが共に接触できないタイプの損傷である。ひび割れが２つの個々の積層シート間で進み、少なくとも１つの積層シートが他の積層シートから永久にゆがめられるように損傷されたときに、空隙が生じる。
【００２１】
図２Ｄについて説明を続けると、高速度の衝突は積層表面上に表面損傷だけを残す可能性があるが、それだけではなく表面下に重い損傷を生じる可能性があることが認識されるべきである。図２Ｄに示されているように、第３の損傷領域216は衝突場所210の表面損傷と、ひび割れ250と空隙260を含む大きなひびのネットワークとを有するものとして示されている。さらに図２Ｄに示されているように、重い隠された損傷は後面130から全体的に剥がれた１以上の積層シート部分で生じる可能性がある。
【００２２】
図２Ａ乃至２Ｄを考慮すると、積層構造に対する表面損傷量は隠された損傷の真の量についての不充分な指示であることが認識されるべきである。従って表面損傷周辺のこのような疑いのある領域に対する見えない損傷を効率的に検出することができる廉価で非常に正確な診断ツールを有することが有効であることが認識されなければならない。
【００２３】
図３は、図１乃至２Ｄに示されているような積層構造を含んだ種々の固体構造に対する隠れた損傷を検出することのできる例示的な診断ツール300のブロック図である。図３に示されているように、診断ツール300は管理装置310、パルス発生器320、トランスデューサ330、データ捕捉装置340、ディスプレイ350、複数の付勢装置360を含んでいる。データ捕捉装置340は増幅器（ＡＭＰ）342、アナログデジタルトランスデューサ（ＡＤＣ）344、先入れ先出しバッファ（ＦＩＦＯ）346を含んでいる。例示的な診断ツール300は種々の集積回路と、単一の回路板上で共に結合されるその他の部品との集合であるが、診断ツール300は他の形態を取ることもできることを認識すべきである。例えば、種々の実施形態では、パルス発生器320とＦＩＦＯ346とＡＤＣ344は、多くのプロセッサベースのシステムで普通に使用されるようなバス構造に組み込まれることができる。さらに他の実施形態では、任意のディスプレイ、トランスデューサ、付勢装置がさらに実際的にチップ外に位置されることができることを理解の上で、実践的に全ての種々のコンポーネント310−360が単一の集積回路上に組み込まれることができることを認識すべきである。
【００２４】
図３の例示的な診断ツール300では、２つの主要な動作モード、即ち較正サイクルを行う較正モードと、試験サイクルを行う試験モードとが存在することができる。
【００２５】
診断ツール300の較正モードは、診断装置がより大きい全体的な正確性を有するように、装置内の個々のコンポーネントが“調節される”（または他の方法で補償される）較正のさらに共通して使用される形態に関して、本発明のシステムの診断ツール300が、特定の積層構造に対してそれ自体を較正するためにその較正モードを使用する点で、競合するタイプの試験装置の較正の任意の形態とは実質的に異なっている。特定の積層に対する較正についての利点の１つは、これが別の物よりも非常に廉価であることである。例えば図３の診断ツール300は、試験される積層構造の損傷のない部分に対してトランスデューサ330を単に押付けることにより、完全に訓練されていないオペレータによって較正されることができる。比較すると、後者の較正形態は、特定の試験装置が工場に戻されることを必要とする可能性があり、その工場では訓練された技術者は任意の形態の補償が開始されることができる試験装置内の種々のコンポーネントの特徴付けに数時間費やす可能性がある。
【００２６】
補償サイクルを開始するため、診断ツール300を使用するオペレータは最初に基体の損傷のない部分に対してトランスデューサ320を押付け、付勢装置例えばボタンの１つを押し、それは次に管理装置310に較正サイクルが所望されているという指示を与える。それに応答して、管理装置310はコマンド信号をパルス発生器320へ発生する。パルス発生器320はそれに対応して、管理装置310からコマンドを受信し、特定の振幅および期間を有する励起パルスをトランスデューサ330へ発生することができる。
【００２７】
図３の例示的な診断ツール300では、パルス発生器320は低−高転移のようなＴＴＬ適合信号を受取り、約２５−３０ボルトの振幅と約２００ナノ秒の期間を有する励起パルスを発生することができる。しかしながら、パルス発生器320に関連する他のタイプの入力コマンドと出力励起パルスが実施形態の変更に応じて変更されることができることを認識すべきである。
【００２８】
励起パルスが開始されると、トランスデューサ330は励起パルスを受信することができ、それによってトランスデューサ330にそのトランスデューサ330が接触される所定の構造に対して超音波エネルギのバーストを放射させる。
【００２９】
動作期間中、トランスデューサ330は超音波エネルギの出力パルスを提供する役目だけではなく、トランスデューサに反射して戻されるエネルギを検出する役目も行う。トランスデューサ330がこの同じ周波数の反射された信号エネルギを検出するとき、トランスデューサ330はこのような超音波エネルギを電気形態に変換し、それは任意の数の電気または電子装置により感知されることができる。したがって、トランスデューサ330は出力および検出される信号エネルギとの両者の量をデータ捕捉装置340へ伝送することを理解すべきである。
【００３０】
種々の信号エネルギがデータ捕捉装置340により受信されるとき、このようなエネルギは最初に増幅器342により受信され、増幅器342は受信されたエネルギをバッファし、増幅し、濾波することができ、その後得られた信号をＡＤＣ344へ送る。ＡＤＣ344は受信された信号をデジタル形態に変換する。それに続いて、デジタル化されたデータはＦＩＦＯ346へ送られることができ、ここで、管理装置310により抽出されるまで記憶されることができる。
【００３１】
データ捕捉の開始後、管理装置310はＦＩＦＯ346から情報を抽出し、任意の反射されたパルスの振幅およびタイミングに関連するパラメータのような任意の数の較正パラメータを決定し、このような較正パラメータを試験サイクルで使用するためにローカルメモリに記憶することができる。
【００３２】
ユーザが診断ツール300により較正サイクルを行うと、オペレータは隠された損傷の疑のある積層装置の部分に対して診断ツール300のトランスデューサ部分を押し付け、第２の付勢装置ボタンを押すことができる。それに応答して、付勢装置360は試験サイクルを開始するために管理装置310へ適切な信号を送る。較正モードでのように、管理装置310はパルス発生器320へコマンドを発生し、これは次に較正サイクルの励起パルスと実質的に同じ振幅および期間の励起パルスを発生する。それに応答して、トランスデューサ330は出力超音波信号を放射し、反射されたエネルギがあればそれを検出し、出力および検出された信号をデータ捕捉装置340および管理装置310へ転送する。
【００３３】
管理装置310が直後の試験サイクルに関する情報を受信すると、管理装置は試験サイクル期間中に採取されたこのようなデータが実質的に較正サイクル期間中に捕捉されたパラメータ内に適合するか否かを決定するのに必要な任意の数の演算および計算を行うことができる。例えば管理装置310は任意の反射信号パルスの振幅を比較し、これを較正サイクルの反射信号パルスと比較することができ、および／または管理装置はこのような反射された信号パルスが（出力パルスに関して）較正サイクルの反射信号パルスと実質的に同じ相対的タイミングで生じるか否かを決定することができる。試験サイクルのデータが較正サイクルのデータと許容可能に適合するならば、管理装置は疑いのある積層構造が損傷されていないという指示をディスプレイ350に提供することができる。ディスプレイ350はこの指示を受信し、診断ツールが試験された疑いのある領域に対して何等の損傷も検出しなかったという可視指示をオペレータに与える。
【００３４】
図３の実施形態の例では、ディスプレイ350は積層構造の特定部分が損傷されているか損傷されていないことを示すための単一の発光ダイオードだけを含むことができ、随意選択的に診断ツール300が適切に較正されているか否かを示すための第２の発光ダイオードを含む。しかしながら、診断ツール300は任意の既知の競合する製品よりもはるかに簡単なディスプレイを必要とするが、任意の特定の実施形態で選択されたディスプレイの特定の形態は設計の選択肢として変化することができることを認識すべきである。
【００３５】
図４は、図３の管理装置310の例示的な実施形態のブロック図である。図４に示されているように、管理装置310は制御装置410、メモリ420、較正装置430、試験装置440、比較装置450、入力／出力ポート490を含んでいる。管理装置310の種々の部分410-490はデータ／アドレスバス402を介して共に結合されている。例示的な管理装置310は種々の周辺装置を有するバスアーキテクチャを有する装置として示されているが、他の実施形態では、管理装置310は集積されたコンポーネントを有する単一チッププロセッサ、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサまたはメモリからの一連の命令を実行することのできる任意の他のシステムとして得られることができることを認識すべきである。さらに、管理装置310はここで説明したように種々の必要な機能を行うことのできる任意の数のディスクリートな論理回路の形態を取ることができることを認識すべきである。さらに、種々の他の実施形態では、較正装置430、試験装置440、比較装置450のような管理装置310の一部はメモリ420中に埋設されている種々のプログラムおよびルーチンの形態を取ることができることを認識すべきである。
【００３６】
動作において、管理装置310は通常、較正サイクルを調整することによって開始する。このような較正サイクルでは、管理装置310は典型的に、入力／出力ポート490を介して受信された押ボタンのような外部装置からの指示を受信する。それに応答して、管理装置310はその後、図３に示されたパルス発生器320のようなパルス発生器システムへ命令を発生し、図３のデータ捕捉装置340のようなデータ捕捉システムへ“データ捕捉”命令を出力する。適切なデータが捕捉されたことを仮定すると、制御装置410は続いて、入力／出力ポート490を介して捕捉されたデータを取入れ、捕捉されたデータをメモリ420に記憶することができる。
【００３７】
データの取入れ後、制御装置410はデータをメモリ420から較正装置430へ移動することができる。データ較正装置430がデータを受信するとき、較正装置430は、出力及び反射信号パルスの振幅の決定、パルスの相対的タイミングの決定、パルス形状情報の特徴付け、信号の位相等のようなエコープロフィールの種々の特徴を測定または計量するように設計された任意の多数の動作を実行できる。
【００３８】
通常、較正サイクルでは、較正装置430は２つの認知可能なパルスのみ、即ち出力パルスと、出力パルスが積層構造の後面から反射されるときに生じる反射信号パルス、つまり“後面反射パルス”を検出しなければならない。後面反射パルスは通常、ある量の歪みを受け、そうでなければ種々の量の雑音で汚染されるが、適切な処理によって、そのような歪みおよび雑音は容易に減少され、または補償されることができることを認識すべきである。
【００３９】
較正装置がその初期プロセスを出力及び反射パルスについて行うと、較正装置は両パルスの絶対および／または相対振幅と、パルス間の絶対および／または相対タイミングを決定することができ、本発明の説明の目的ではこのような振幅およびタイミング情報は可能な“較正パラメータ”と呼ばれることができる。較正装置430がその処理を終了し、関連する較正パラメータを決定すると、較正装置430は信号を発光ダイオードのような外部装置へ送信することができ、適切な較正サイクルが終了され、較正パラメータが設定されたことを指示する。
【００４０】
種々の例では、出力及び反射信号エネルギは過剰な雑音により崩壊され、或いは種々の幾つかのアーティファクトは未知の欠陥、ひび割れ或いは空隙により生じるエコーのように現れる可能性があることに注意すべきである。このような過剰な雑音またはアーティファクトが較正サイクル期間中に生じることを想定すると、較正装置430は受信されたデータに問題があることを認識し、その後較正サイクルに関する問題が生じたという指示をディスプレイへ出力するように適切に設計されることができる。オペレータがこのような指示を受信すると仮定すると、オペレータは良好な較正サイクルが行われて妥当な較正パラメータが設定されるまで、披検査積層構造の別の部分で第２の較正サイクルを行うことができる。
【００４１】
例示的な管理装置310は出力パルスを発生し、反射信号エネルギを検出する単一のラウンドを行うが、種々の実施形態では管理装置310は較正パラメータをさらに良好に決定して、さらに確実に試験するためにデータの振幅およびタイミングの任意の変化を認可するために（適切な統計的処理による）複数の較正ラウンドを使用することを選択できる。
【００４２】
前述したように、通常の動作期間中、１以上の試験サイクルは通常所定の較正サイクル後に実行される。試験サイクル期間中、プロセスは通常、オペレータがボタン（図示せず）および入力／出力ポート490を介して制御装置410へ指示を与えることによって開始する。それに応答して、制御装置310はコマンドをパルス発生器とデータ捕捉装置へ発生し、その後任意の結果的なデータをメモリ420に記憶することができる。
【００４３】
その後、このような試験データは試験装置440に与えられることができ、その試験装置440で、このような情報は任意の実質的なパルスが検出されるか否かを決定し、またこのようなパルス間のタイミングが初期的なアウトポイントパルスに関して生じることを決定するために適切に処理されることができる。較正サイクルと同様に、試験サイクルは多数のラウンドのパルスの単一ラウンドで実行されることができる。
【００４４】
較正装置430と試験装置440の両者が種々のピークエネルギ点とタイミング情報を識別するためのそれぞれのタスクを行うと、このようなデータは比較装置450へ伝送されることができる。
【００４５】
比較装置450は較正装置430から較正パラメータを受信し、また試験装置440から試験データを受信し、試験データが較正データに適切に適合するか否かを決定するのに必要な数の任意の動作を行うことができる。例えば例示的な実施形態では、比較装置450は試験サイクルの反射パルスが限定された、通常はそれぞれのタイミングパラメータを中心とする狭い時間範囲内で生じるか否かを決定し、さらにこのような反射パルスの振幅がほぼ同じ、例えば較正サイクルの反射パルスの１０％内であるか否かを決定する。試験サイクル期間中に測定された後面反射パルスが較正サイクルの反射パルスに適切に適合すると仮定すると、比較装置450は入力／出力ポート490を介して“損傷された／損傷されていない”インジケータのようなインジケータへ信号を送信することができる。
【００４６】
種々の実施形態では、損傷されたことの指示／損傷されていないことの指示は単一の後面反射パルスに関するデータだけを使用して行われることができるが、他の実施形態では、比較装置450はこの決定を行うために他の規準を使用することができる。例えば種々の実施形態では、比較装置450はアウトポイントパルスと後面反射パルスとの間で生じる可能性がある任意の数の実質的なパルスと、存在する任意の雑音の量および特性と、或いは検出されることのできるエコープロフィールの任意の他の特徴とを探すことができる。したがって、較正パラメータの数および特性は異なるデータが使用されるとき変化することを認識すべきである。即ち、幾つかの実施形態では、較正パラメータのセットはタイミングおよび／または振幅情報を表す１または２の数だけを含むことができるが、他の較正データは完全なエコープロフィール、統計的に得られたエコープロフィール、エコープロフィールの部分のフーリエ変換等の形態を取ることができる。
【００４７】
図５は図３の超音波トランスデューサ330のようなトランスデューサの出力パルスを発生するために取られるステップを示したタイミング図である。図５に示されているように、励起パルス520はコマンドパルス510に後続するとして示されている。さらに図５に示されているように、励起パルス520は振幅Ａeおよび特有の期間τeを設定している。図３の例示的な実施形態では、このような励起パルス520は通常２５−３０ボルトの振幅と、約２００ナノ秒の期間を有している。しかしながら種々の実施形態では、励起パルスの特定の振幅および期間は所望に応じて変化され、或いはトランスデューサの電気特性および共振周波数等の任意の数の重要な変数を考慮して、他の方法でその利点が発見されることを認識すべきである。
【００４８】
図５をさらに参照すると、ベル型の出力パルス530は励起パルス520後すぐに発生するとして示されている。出力パルス530は滑らかなベル型のパルスとして示されているが、出力パルス530はベル型のパルス530内で生じる高周波数振動を示すエンベロープを実際に表していることを認識すべきである。例えばベル型のパルスの幅（τp）は１マイクロ秒であり、さらに使用されるトランスデューサは５メガヘルツの残留周波数を有すると仮定すると、出力パルス530は約第３のサイクルで生じるピーク振幅（Ａ0）を有する５メガヘルツの超音波エネルギの４〜５サイクルの変調を実際に示している。
【００４９】
図３の例示的な診断ツール300は通常５メガヘルツの残留周波数を有する１マイクロ秒の出力パルスを有するが、他の実施形態では、パルス幅と発振周波数は使用されるトランスデューサの特性に従って変化できることを認識すべきである。例えば、種々の実施形態では本発明のシステムおよび方法の発明者は５メガヘルツの超音波トランスデューサがきわめて良好に動作し、２．５メガヘルツから１０メガヘルツまで変化する周波数範囲が本発明の方法およびシステムで使用するために全て非常に良好な候補になることを決定した。２．５メガヘルツよりもまた低い周波数も使用されることができるが、このような低い周波数は解像度が比例して減少を生じることを認識すべきである。さらに、１０メガヘルツを超える周波数も有効であるが、さらに高い周波数は周波数の増加に比例して実質的な減衰を受ける。
【００５０】
図６Ａは図１および図２Ａに示されている積層構造のうちの１つのような、積層構造の出力パルスおよび後面反射パルスを含むエコープロフィールの第１のタイミング図である。図６Ａに示されているように、時間ｔ0を中心とし振幅Ａ0を有する出力パルスに後面反射パルス630が後続し、その後面反射パルス630は時間ｔbで生じ振幅Ａbを有している。後面反射パルス630は出力パルス530の２０マイクロ秒後に生じるとして示されているので、固体の積層材料中の音速が約３ｍｍ／マイクロ秒であると仮定すると、表されている積層構造は厚さ約３０ｍｍ（１1/4インチ）であると認識すべきである。一般的に、図６Ａのエコープロフィールは較正サイクルで求められる所望のプロフィールおよび損傷のない積層構造の任意の試験サイクル中に予測されるプロフィールである。
【００５１】
対照的に、図６Ｂは、図２Ｂに示されている僅かに損傷のある積層構造から予測されることができるようなエコープロフィールの第２のタイミング図を示している。図６Ｂに示されているように、エコープロフィールは最初の出力パルス530、図６Ａの後面反射パルスと同じ時間ｔbで生じる予測される後面反射パルス630を含んでいるが、さらに（本発明の例では）図２Ｂのひび割れ220により生じる“ひび反射パルス”632を含んでいる。図６Ｂのエコープロフィールの概要が明らかにしていることは、図２Ｂのひび220が特定のタイミングおよび振幅を有する異なるパルスを発生するだけでなく、またひび220の存在が後面反射パルス630の振幅に変化を生じる可能性があることも示しており、このことは通常、ひび反射パルス220が使用しなければ後面反射パルス630に対して使用されるエネルギをひび反射パルス220が使用していることを予測させる。
【００５２】
図６Ｃは、空隙230の効果を考慮して、図２Ｃの中程度に損傷された積層構造から予測されることができるような第３のエコープロフィールを表すタイミング図である。図６Ｃに示されているように、この第３のエコープロフィールは出力パルス530と、空隙230の前面から跳ね返る出力パルスから生じる（時間ｔv1で生じ、振幅Ａv1を有する）空隙反射パルス634とを含んでいる。図６Ｃのエコープロフィールは出力パルス時間（ｔ0）と後面反射パルス（ｔb）の予測される時間との間で生じる中間パルスを示しているが、図６Ｃのエコープロフィールは２０マイクロ秒のマーク地点でエネルギを示していないことに注意すべきである。このように完全に後面反射パルスがないことは状態の関連物理学により生じ、即ち空隙は通常、一方の側から他方の側への超音波エネルギの通過を可能にしないために生じたものである。
【００５３】
図６Ｂと図６Ｃとは２つの重要な点を明らかにしている。第１点は、予測される後面反射パルスが実質的に減衰されまたは完全に除去されているか否かに基づいて、損傷の特定の領域が間隙を作るひびとして類別されることができ、損傷された領域の相対的な深さが反射パルスの相対的タイミングに基づいて決定されることができる点である。例えば図６Ｂのひび反射パルス632の反射時間（ｔf1）はひびが積層構造100の表面120の６ｍｍ下の比較的浅い深さで生じていることを示しており、空隙反射パルス（ｔv1）のタイミングは、空隙が基体100のほぼ中心で前面120の約１３−１４ｍｍ下で生じていることを示している。したがって、エコープロフィールは損傷が生じている指示を与えることができるだけではなく、損傷の特定のタイプと損傷の深さの指示を与えることができ、これは積層構造が現場で修理されることができるかまたは修理設備を有する特定の施設へ戻されるべきであるかを決定しなければならない技術者或いはフィールドエンジニアに対して有用な情報となる可能性があることを認識すべきである。
【００５４】
図６Ｄは図２Ｄに示されている損傷のような、酷く損傷されている積層構造から予測されるようなエコープロフィールを示すタイミング図である。図６Ｄに示されているように、エコープロフィールは出力パルス530、ひび反射パルス642、空隙反射パルス644、例示的なクラッタ646の量を含んでいる。
【００５５】
図２Ｄと図６Ｄに表されている過酷な量のクラッタと損傷にかかわりなく、図６Ｄに示されているエコープロフィールは、より綿密な解析で実質的な情報を明らかにすることができることを認識すべきである。例えば時間ｔf2で示される反射パルス642は、空隙が時間ｔf2後、任意の実質的なエコー情報を除去するので、空隙と対向して、認知可能なひびが前面120の数ミリメートル下に存在していることを示している。反対に、類似の原理を使用して、時間ｔv2後には検出される任意のタイプの信号はほとんどまたはまったく存在しないので、パルス644は空隙反射パルスとして決定されることができる。さらに、先の例のように、ひび反射パルス642のタイミングは深さ６ｍｍで生じるひび損傷を示し、さらに積層構造の前面の下の約２２−２３ｍｍの深さに空隙損傷位置が生じていることを示している。
【００５６】
図７は、図３の診断ツール300で使用されることができ、種々の量の関連情報を表示することができる例示的な診断ディスプレイ350を示している。図７に示されているように、ディスプレイ350は積層構造の特定の部分が損傷されていないものと見られるか否かを示すために使用されることができる第１のインジケータ710を有し、さらに診断装置が既知の損傷されていない基体に対して最近較正されたという指示を提供するために使用されることのできる第２のインジケータ720を含んでいる。
【００５７】
例示的な実施形態では、インジケータ710と720は単なる簡単なＬＥＤである。しかしながら他の実施形態では、例示的なインジケータ710と720は多色のＬＥＤ、例えば良好な場合と損傷されていない場合には緑色、損傷されている場合には赤色であることができる。さらに別の実施形態では、インジケータは液晶ディスプレイまたは本発明の方法およびシステムに関連する種々の情報を表示することができる任意の他のディスプレイの一部の形態を取ることができる。
【００５８】
第１の２つのインジケータ710と720に加えて、診断ディスプレイ350はまた複数の“損傷の深さ”インジケータ730を含み、これはこのような損傷が積層の前面および後面に関して生じる損傷のタイプと相対的な深さの両指示を提供できる。例えば損傷されていない積層では、全ての損傷インジケータは消勢されたままに維持されることができる。しかしながら、図２Ｂに示されているような軽い損傷の例では、上部のＬＥＤは浅いひびの検出を示すように付勢されることができる。対照的に、図２Ｃの空隙230はオペレータに対して積層構造の中間に損傷が存在することを通知するために第３の／中間の深さインジケータを付勢させ、ひび割れと対向して空隙が生じたことを示すために恐らく異なる方法で、例えば異なる色または点滅速度を使用して付勢される。図６Ｄに示されているエコープロフィールを有する図２Ｄの重大な損傷を有する基体により示されているようなさらに別の状態では、種々の損傷インジケータは明白に異なる方法で付勢される第１および第４の損傷の深さインジケータ730を使用することによって、浅いひび反射パルス642と比較的深い空隙の反射パルス644とを表すように適切に付勢されることができる。
【００５９】
図８は、図３に示されている診断ツール300のような、診断装置を使用する本発明による例示的な動作の概要を示しているフローチャートである。プロセスはステップ810で開始し、診断装置は積層構造の損傷のない部分を使用して較正される。前述したようにこのような較正は出力及び反射パルスの単一ラウンドで行われるか、代わりに統計的に一貫した正確な較正データを確実にするために一連の出力及び反射パルスを使用して実現されることができる。その後、制御はステップ820へ進む。
【００６０】
ステップ820では、オペレータはその後、表面の下の潜在的に損傷された部分を有する可能性のある積層の疑いのある領域へ診断装置を位置させる。次に、ステップ830で、オペレータは試験規準として前もって決定された較正パラメータを使用して疑いのある領域を試験するために診断装置を付勢することができる。前述したように、このような試験は出力及び反射パルスの単一ラウンドの形態を取ることができるか、代わりにさらに良好な正確性を確実にするために適切な統計的処理による複数の出力及び反射パルスの形態を取ることができる。制御はその後ステップ840へ移る。
【００６１】
ステップ840において、オペレータは検討し、解析し、表示された情報に基づいて決定を行うことができる。例示的な動作は表示されたデータが通常、図３および７に関するデータに適合することを考慮するが、種々の実施形態では他の表示を使用することが全体的に予測可能であることを認識すべきである。制御はその後ステップ850へ続き、そこでプロセスは停止する。
【００６２】
図９は本発明による診断装置を較正するための例示的な動作の概要を示しているフローチャートである。プロセスはステップ910で開始し、図３の診断装置300のような診断装置は較正命令を受信する。次にステップ912で、受信された命令に応答して、超音波トランスデューサは出力超音波パルスを発生するために励起され、データ捕捉プロセスが開始され、任意の出力及び反射パルスエネルギが検出され記憶されることができる。その後、ステップ914で出力及び反射パルスエネルギは適切に検出され、捕捉される。前述したように、較正サイクルを行うために単一ラウンドのみの出力及び反射パルスを使用することが望ましい場合もあり、また代わりに適切な較正決定を行うために複数の出力及び反射パルスを使用する場合もある。従って、ステップ912と914はこのような規準を満足するのに必要なだけ反復されることができる。適切なデータが捕捉されると、制御はその後ステップ916へ移る。
【００６３】
ステップ916では、先のステップで捕捉されたデータは後面反射パルスのタイミングおよび振幅に関するパラメータを含んだ多数の較正パラメータを決定するために適切に処理されることができる。制御はその後ステップ918へ移る。
【００６４】
ステップ918で、先のステップで捕捉され処理されたデータが疑わしいか否かについての決定が行われる。即ちデータが損傷のない基体に相当するか、または捕捉されたデータが内部損傷を有する基体を示しているかである。データが疑わしいならば、制御はステップ930へ進み、そうでなければ制御はステップ920へ進む。
【００６５】
較正サイクル期間中に捕捉され処理されたデータが損傷されていない基体に適合すると仮定するステップ920では、インジケータが付勢されて、較正サイクルが実行されたことと結果的な較正データが損傷されていない基体と一致することをオペレータに通知する。次にステップ922で、関連する較正パラメータ、例えば出力及び反射パルスの振幅およびタイミングを示すパラメータが決定されることができる。制御はその後、ステップ950へ移りプロセスは停止する。
【００６６】
較正サイクル期間中に発生されたデータが疑わしい、即ち捕捉されたデータが損傷された基体に一致すると仮定するステップ930では、適切なエラー指示がオペレータに表示され、制御はステップ950へ進み、プロセスは停止する。
【００６７】
図１０は、例示的な試験サイクルについての本発明による例示的な動作の概要を示しているフローチャートである。プロセスは試験サイクルを開始する命令が受信されるステップ1010で開始する。次にステップ1012で、超音波トランスデューサは励起され、データ捕捉プロセスは命令に応答して開始される。その後、ステップ1014で、１以上のラウンドの出力及び反射パルスをカバーする適切なデータが捕捉される。類似の較正ステップ912と914と同様に、出力及び反射パルスを測定する単一ラウンドまたは多数のラウンドを使用することが望ましい。制御はその後、ステップ1016へ進む。
【００６８】
ステップ1016では、ステップ1014で捕捉されるデータはそれぞれの出力パルスに関する任意の重要な反射パルス、それらのピークエネルギおよび相対的なタイミングを探すために適切に処理される。次にステップ1018で、先のステップで捕捉され処理されたデータは多数の較正パラメータに対して比較される。その後ステップ1020で、試験サイクル期間中に捕捉され処理されたデータが較正パラメータに適合するか否かについての決定が行われる。試験データが適切に一致しているならば、制御はステップ1030へジャンプし、そうでなければ制御はステップ1022へ進む。
【００６９】
試験データが実質的に較正パラメータと適合し、および／または予測される反射パルスが受信されなかったと仮定するステップ1030では、適切なインジケータが付勢され、制御はステップ1050へ続き、プロセスは停止する。
【００７０】
対照的に、試験データが較正パラメータと適合せず、および／または内部損傷が検出されたことを示す種々の超音波アーティファクトが検出されたと仮定するステップ1022では、損傷のタイプ、即ちひび割れまたは空隙と損傷の深さが決定される。次にステップ1024では、適切な損傷インジケータが付勢され、損傷が生じたか否かを示し、随意選択的にこのような損傷のタイプおよび相対的な深さを示す。制御はその後、ステップ1050へ続き、プロセスは停止する。
【００７１】
試験サイクル1010乃至1050の前述のステップは単一の時間に生じるとして示されているが、種々の実施形態では、図１０の試験サイクルは連続的に反復されたプロセスの形態を取ることができ、したがってオペレータが診断ツールを積層構造の表面を横切ってスライドするとき潜在的な損傷のプロフィールを考慮することを可能にすることを認識されるべきである。
【００７２】
前述のシステムおよび／または方法がコンピュータベースのシステムまたはプログラム可能な論理装置のようなプログラム可能な装置を使用して構成される種々の実施形態において、前述のシステムおよび方法は“Ｃ”、“Ｃ＋＋”、“ＦＯＲＴＲＡＮ”、“Ｐａｓｃａｌ”、“ＶＨＤＬ”のような任意の種々の既知のまたは将来に開発されるプログラミング言語を使用して実行されることができることを認識すべきである。
【００７３】
したがって、磁気コンピュータディスク、光ディスク、電子メモリ等のような種々の記憶媒体が準備されることができ、それらは前述のシステムおよび／または方法を実行するようにコンピュータのような装置へ命令することのできる情報を含むことができる。適切な装置が記憶媒体に含まれている情報およびプログラムにアクセスすると、その記憶媒体はその情報およびプログラムを装置へ提供でき、したがって装置が前述のシステムおよび／または方法を行うことが可能になる。
【００７４】
例えばソースファイル、オブジェクトファイル、実行可能なファイルなどのような適切な材料を含むコンピュータディスクがコンピュータに与えられるならば、そのコンピュータは情報を受信し、それ自体の形態を適切に構成し、種々の機能を実行するために前述の図面およびフローチャートで概説した種々のシステムおよび方法の機能を実行する。即ちコンピュータは前述のシステムおよび／または方法の異なるエレメントに関連するディスクから種々の情報部分を受信し、個々のシステムおよび／または方法を実行し、積層構造を試験するように個々のシステムおよび／または方法の機能を調整する。
【００７５】
本発明の多くの特徴および利点は明細書の詳細な説明から明白であり、したがって特許請求の範囲によって、本発明の技術的範囲内に含まれる本発明の全てのこのような特徴および利点をカバーすることが意図されている。さらに、多数の変形および変化が当業者によって容易に行われるので、本発明を例示し説明した構成および動作に正確に限定することは望ましいことではなく、全ての適切な変形および等価物は本発明の技術的範囲内に含まれることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】例示的な積層構造を示す図。
【図２Ａ】異なる量の損傷を有する図１の積層構造を示す図。
【図２Ｂ】異なる量の損傷を有する図１の積層構造を示す図。
【図２Ｃ】異なる量の損傷を有する図１の積層構造を示す図。
【図２Ｄ】異なる量の損傷を有する図１の積層構造を示す図。
【図３】積層構造中の隠れた損傷を検出するために有効な診断ツールのブロック図。
【図４】図３の管理装置の例示的な実施形態のブロック図。
【図５】図３の診断ツール内の種々のアクティビティのタイミング図。
【図６Ａ】図２Ａに示されている積層の超音波エコープロフィールを示す例示的なタイミング図。
【図６Ｂ】図２Ｂに示されている積層の超音波エコープロフィールを示す例示的なタイミング図。
【図６Ｃ】図２Ｃに示されている積層の超音波エコープロフィールを示す例示的なタイミング図。
【図６Ｄ】図２Ｄに示されている積層の超音波エコープロフィールを示す例示的なタイミング図。
【図７】図３の診断ツール内に含まれている例示的なディスプレイを示す図。
【図８】本発明による第１の例示的な動作の概要のフローチャート。
【図９】本発明による第２の例示的な動作の概要のフローチャート。
【図１０】本発明による第３の例示的な動作の概要のフローチャート。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2008503756.tif 000021