(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンポーネントにおける欠陥を検出する熱画像化システムであって、
前記コンポーネントを励起する少なくとも１つの電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）と、
前記コンポーネントの熱画像を発生する熱画像化カメラと、
前記ＥＭＡＴと前記カメラとに結合されるコントローラであって、所定の期間にわたる所定の周波数の信号からなるパルスの少なくとも１つを、前記ＥＭＡＴに向け、前記カメラに前記コンポーネントのシーケンシャルな画像を発生させ、前記ＥＭＡＴは前記コンポーネントの中に音波を誘導し、前記信号は実質的に一定の振幅を有し、前記ＥＭＡＴによって発生される振動エネルギが、前記コンポーネントにおける前記欠陥を加熱させて、前記カメラによって発生される画像において見えるようにする、コントローラと、を備えていることを特徴とする、熱画像化システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記コントローラは前記ＥＭＡＴに与えられる信号の周波数を変化させるように動作することを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項２記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記信号の周波数の変化をステップ周波数変化又は掃引周波数変化として提供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、前記コントローラは、前記パルスの少なくとも１つを矩形波信号パルス又はスパイク状のパルス信号パルスとして提供す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、前記少なくとも１つのＥＭＡＴは複数のＥＭＡＴであることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項５記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記パルスの少なくとも１つをそれぞれのＥＭＡＴにシーケンシャルに提供す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、前記信号からなる前記パルスの少なくとも１つは１／２秒以下の期間を有することを特徴とするシステム。
【請求項８】
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、
所定の期間分の音信号であって所定の周波数と実質的に一定の振幅とを有する音信号を前記構造の中に発生させる少なくとも１つのＥＭＡＴと、
前記構造の方向に向けられており、前記ＥＭＡＴが前記音信号を発生すると前記構造の画像を発生するカメラと、
前記ＥＭＡＴと前記カメラとに結合されており、それらの間のタイミング信号を提供するコントローラであって、信号からなるパルスの少なくとも１つを提供してＥＭＡＴを付勢し、前記カメラからの画像に応答するコントローラと、
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９】
請求項８記載のシステムにおいて、前記コントローラは前記ＥＭＡＴに与えられる信号の周波数を変化させるように動作することを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項９記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記信号の周波数の変化をステップ周波数変化又は掃引周波数変化として提供することを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項８記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記パルスの少なくとも１つを矩形波信号パルス又はスパイク状の信号パルスとして提供することを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項８記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つのＥＭＡＴは複数のＥＭＡＴであることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１２記載のシステムにおいて、前記コントローラは前記パルスの少なくとも１つをそれぞれのＥＭＡＴにシーケンシャルに提供することを特徴とするシステム。
【請求項１４】
構造における欠陥を検出する方法であって、
少なくとも１つの電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）を前記構造に結合するステップと、
信号からなる一連のパルスで前記ＥＭＡＴを付勢するステップであって、前記一連の各パルス内の前記信号は所定の期間にわたり所定の周波数と実質的に一定の振幅とを有する、ステップと、
前記ＥＭＡＴを付勢することにより前記構造の中に音信号を発生するステップと、
前記音信号の発生の前、発生している間、発生の後に前記構造の一連の熱画像を発生するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、前記ＥＭＡＴを付勢する前記ステップは、前記一連のパルス内の前記信号の異なる周波数を用いて前記ＥＭＡＴを付勢して周波数が異なる音信号を発生するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、前記ＥＭＡＴを付勢する前記ステップは、前記ＥＭＡＴをステップ周波数信号又は掃引周波数信号を用いて付勢するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の方法において、前記ＥＭＡＴを付勢する前記ステップは、前記ＥＭＡＴを矩形波パルス又はスパイク状のパルスを用いて付勢するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１４記載の方法において、前記少なくとも１つのＥＭＡＴを結合する前記ステップは、複数のＥＭＡＴを前記構造に結合するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、前記ＥＭＡＴを付勢する前記ステップは、前記複数のＥＭＡＴを、パルスを用いてシーケンシャルに付勢するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１４記載の方法において、前記ＥＭＡＴを前記構造に結合するステップは、前記ＥＭＡＴが前記構造に接触しないように前記ＥＭＡＴを前記構造に結合するステップを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、材料の欠陥を検出するシステム及び方法に関し、より詳細には、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）を用いて音波エネルギを材料の内部に与え、材料内に存在し得るクラックやそれ以外の欠陥を加熱し、その熱放射により材料を熱的に画像化して欠陥を識別するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特定のコンポーネントや構造の構造的完全性の維持は、安全性などを考慮する必要性から、多くの分野において非常に重要である。構造的完全性が失われるのは、例えば、クラック（割れ）、層間剥離、不結合（disbonds）、腐食、含有物、隙間など、コンポーネント又は構造に存在し得る材料の欠陥に起因する。例えば、航空産業では、航空機の外板及び航空機の構造コンポーネントの構造的完全性を検査するための信頼できる技術が使用可能であり、航空機が飛行中に構造的欠陥により損害を受けないことを確約できることが、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・ヘッドの構造的完全性もまた、これらの産業では重要である。従って、種々の産業において、異なる構造コンポーネント及び材料の非侵襲性及び非破壊的な分析の技術が開発されてきた。
【０００３】
材料の欠陥の非侵襲性かつ非破壊的なテストのための既知の技術の１つとして、構造コンポーネントを染色浸透剤で処理し、材料に存在し得るすべてのクラックや欠陥にその染料が入っていくようにするという技術がある。次に、そのコンポーネントを洗浄し、その構造をパウダーで処理して、クラックに残っている染料がパウダーの中に留まるようにする。この材料の検査は紫外線（ＵＶ）光源を用いて、コンポーネント上の、染料により発せられる蛍光の位置を観察する。しかし、この技術は、蛍光を検査する者が熟練している必要があり、従って、検査者に重点が置かれ検査者に依存的であるという欠点がある。更に、染料は、堅く閉じている又は表面上には存在しないクラック（１又は複数）には浸透しないのが通常である。
【０００４】
コンポーネントの欠陥を検査する第２の既知の技術では、電磁コイルを用い、コンポーネントに渦電流を誘導する。コイルをコンポーネント上で移動させると、クラック又は他の欠陥のところで渦電流のパターンが変化する。コイルの複素インピーダンスは、渦電流が変化すると変化し、これはオシロスコープで観察できる。この技術もまた、オペレータに重点が置かれるという欠点や、極端に低速であり面倒であるという欠点がある。
【０００５】
他の既知の技術では、コンポーネントの熱的な画像化（thermal imaging）を用いて欠点を識別する。典型的には、フラッシュ・ランプや熱線銃のような熱源を用いて、熱の平面パルスをコンポーネントの表面へ送る。コンポーネントの材料は熱を吸収し、赤外線波長の反射を放出する。或るタイプの欠陥の場合には、欠陥部分では、表面温度の低下速度がその周りの範囲とは異なる。熱又は赤外線画像化カメラが、コンポーネントを画像化して、結果的な表面温度変化を検出するために用いられる。この技術は不結合や腐食を検出するには好適であるが、通常は、材料における垂直方向のクラック、即ち、表面と直角のクラックの検出には適さない。これは、疲労によるクラックは、平面熱パルスにとってはナイフ・エッジのように見えるから、従って、クラックからの反射は存在しないか又は最小限ののであり、そのため、熱画像ではクラックを見ることが困難又は不可能となるからである。
【０００６】
材料の欠陥を検出するための熱画像化は、材料の超音波励起を用いて熱を発生させるシステムへと拡張されている。Rantala, J. et al. "lock-in Thermography with Mechanical Loss Angle Heating at Ultrasonic Frequencies," Quantitative Infrared Thermography, Eurotherm Series 50, Edizioni ETS, Pisa 1997, pg 383-393には、そのような技術が開示されている。この技術では、超音波励起を用い、超音波フィールドの結果としてクラック又は欠陥を「ライト・アップ」させる。詳細には、超音波により、クラックの対向するエッジを摺り合わさせて、クラック・エリアを加熱させる。コンポーネントの欠陥の無い部分は超音波により最小限にのみ加熱され、その結果として、材料の熱画像では、暗い背景に対してクラックを明るいエリアとして示される。
【０００７】
上記で述べた超音波熱画像化技術で用いられるトランスデューサは、分析されているコンポーネントと機械的に接触する。しかし、高出力の超音波エネルギを、特に金属の場合には、幾つかの材料へ結合するのは困難である。この技術における大きな改善は、超音波トランスデューサとコンポーネントとの間のカップリングを改善することにより達成できる。
【０００８】
更に、既知の超音波熱画像化技術は、複雑な信号処理、特に、ベクトル・ロックイン、同期画像化を用いる。ベクトル・ロックイン画像化は、周期的に変調される超音波ソースを用い、連続的な画像フレームを同期的に平均化し、ソースの周期性に双方とも基づく同相画像及び直角位相画像を生成する処理技術を含む。これにより、周期と同期した画像が得られ、同期していないノイズが画像から除かれる。また、画像の周期性は、変調されたレーザ・ビームやヒート・ランプなどの外部刺激によって誘導することもできる。プロセッサは、ビデオ画像のフレームを受け取り、それらを、誘導された周期性と同期させて記憶し、次に、その記憶されたフレームを後に受け取ったフレームと平均化してノイズを除去する。１９８９年１０月３１日にトーマス（Thomas）らに対して発行された米国特許第４，８７８，１１６号は、このタイプのベクトル・ロックイン画像化を開示している。
【０００９】
１９９４年２月１５日にトーマス（Thomas）らに対して発行された米国特許第５，２８７，１８３号は、’１１６特許で開示されているベクトル・ロックイン画像化を修正した同期画像化技術を開示している。特に、’１８３特許で開示された画像化技術は、ベクトル・ロックイン同期画像化技術を「ボックス・カー（box car）」技術を含むように拡張し、そこでは、ソースがパルス化され、画像が各パルスに続く種々の遅延時間において同期的に平均化される。ボックス・カー技術は、各超音波パルスの開始から固定の時間遅延のところにあるゲートと呼ばれる幾つかの狭い時間ウインドウにおいて以外、ビデオ信号を０で乗算する。これらのゲートの効果は、パルス後の所定の固定遅延時間において画像化されているコンポーネントの状態に対応する幾つかの画像を得ることである。これらの異なる遅延時間は異なる位相に類似し、ロックイン技術における周期的信号のサイン及びコサイン関数により表される。ゲート画像を獲得する間、異なる遅延時間に対応する画像は、ピクセルごとの減算によって算術的に組み合わせられ、非同期的な背景効果が抑制される。
【００１０】
超音波励起熱画像化技術は、これまで、クラックの検出に成功してきた。しかし、この技術は、更に小さなクラック及び堅く閉じたクラックを更に高い感度で検出するように、改善することができる。従って、本発明の目的は、そのような欠陥検出技術を提供することである。
【００１１】
【発明の概要】
本発明の教示により、材料における音波的又は超音波的に励起した表面下の欠陥の赤外線又は熱による画像化技術が開示される。音源は、音波を材料内へ最小の減衰で結合させることができる。この場合、音波は、所定の時間にわたり一定の周波数振幅を有するエネルギのパルスによって発生される。ある実施例では、音源は、広帯域でパルス状の超音波エネルギを提供する電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）である。ＥＭＡＴは、１つのパルスの間に信号の周波数を変化させて、信号が材料の全領域に到達する確率を高めることができる。更に、ＥＭＡＴは、材料と機械的に接触していることが不要であるという利点を有する。適切な熱画像化カメラを用いて、音源によって励起されている材料を画像化する。制御ユニットが設けられており、タイミングをとる目的で、音源とカメラとの動作を制御する。ベクトル・ロックイン又はボックス・カー統合（box car integration）同期画像化技術を用いて画像におけるノイズを減少させることができるが、そのような信号処理技術は、本発明では不要である。
【００１２】
検出シーケンスの開始の間に、制御ユニットはカメラに命令して、試料のシーケンシャルな画像の獲得を開始させる。次に、制御ユニットは音源に命令して、所定の時間期間だけ所定の周波数で超音波エネルギのパルスを出させる。一連の画像が生成され、それら画像では、材料のクラック及び他の欠陥は、暗い（温度が低い）背景に対する明るい（温度が高い）エリアとして示される。画像はモニタ上に表示することができ、また、一連の画像を後に再検討するために記憶しておく記憶装置（ストレージ・デバイス）を備えることもできる。
【００１３】
本発明の更なる目的、効果及び特徴は、以下の説明と冒頭の特許請求の範囲と添付の図面を参照することによって明らかになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
熱画像化システムに関する好適な実施形態の以下の説明は、単なる例示的性質を有するものであって、本発明及びその応用や使用を制限することは意図していない。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態による画像化システム１０のブロック図である。画像化システム１０は、試料１２のクラック、腐食、層間剥離、不結合などの欠陥を検出するために使用される。試料１２は、これらのタイプの欠陥を含み得る、例えば、航空機の外板などのような、任意の構造コンポーネント又は材料を表すことを意図している。試料１２は金属である必要はなく、セラミックや複合物などのような他の材料であってもよいことを強調しておく。システム１０は、圧電エレメントを有する超音波トランスデューサ１４を含み、この圧電エレメントは、特定の超音波又は音波周波数帯域内の超音波エネルギを生成する。トランスデューサ１４は、ブランソン（Branson）９００ＭＡ超音波トランスデューサのような、ここでの目的に適する任意のトランスデューサでよい。一実施形態では、超音波トランスデューサ１４は、約１ｋＷの出力レベルで、約１／２秒の時間期間に対して、約２０ｋＨｚの周波数で実質的に一定の振幅の超音波エネルギのパルスを生成する。しかし、当業者であれば理解するであろうが、本発明の範囲内において、それ以外の超音波周波数、出力レベル、パルス期間を用いることもできる。
【００１６】
トランスデューサ１４からの超音波エネルギは、カプラ１６を通じて試料１２へ結合される。カプラ１６は、トランスデューサ１４の端部１８及び試料１２の前側２０と機械的に接触する。図２は、トランスデューサ１４が、カプラ１６及び試料１２と接触している様子を示す分解した側面図である。支持構造２６は、トランスデューサ１４とカプラ１６との接触を維持する手助けに用いられる。一実施形態では、カプラ１６は、銅などのような、柔らかい金属の薄片であり、超音波エネルギを試料１２へ効率的に結合する。もちろん、ここでの論議に矛盾しない他のカプラを用いることもできる。例えば、カプラ１６は、一片の自動車のガスケット材料であってもよい。カプラ１６は、典型的に、トランスデューサ１４の端部１８よりも柔らかく、かつ、トランスデューサ１４の端部１８に対して変形させて、トランスデューサ１４が試料１２から跳ね上がったり、試料１２に沿って動いたりしないようにするように鍛造可能である、任意の適当な材料でよい。一実施形態では、カプラ１６は、トランスデューサ１４からの超音波エネルギの約３０ないし４０パーセントを、試料１２へ結合する。しかし、複合物の欠陥の検査などのような特定の応用では、カプラ１６が不要なこともあることに留意されたい。
【００１７】
熱画像化カメラ２２が、試料１２の裏側２４から離間して備えられ、試料１２の側２４の画像を、試料１２の超音波励起と関連して生成する。カメラ２２は、単一画像において望まれる試料の画像を提供するように、試料１２から任意の距離だけ離すことができる。別の実施形態では、トランスデューサ１４からの超音波エネルギ及びカメラ２２で生成される画像を、試料１２の同じ側で提供することができる。熱カメラ２２は、レイセオン（Raytheon）社から入手できるガリレオ（Galileo）カメラなど、ここで説明する目的に適切な任意のカメラでよい。一実施形態では、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、１秒あたり１００フレームの画像を生成する。カメラ２２は、２５６×２５６のＩｎＳｂピクセルを有する合焦平面アレイを含み、望まれる解像度を発生する。一実施形態では、試料１２の側２４は黒く塗られ、赤外線画像化のための良いコントラストを提供する。
【００１８】
コントローラ３０は、トランスデューサ１４とカメラ２２との間でのタイミングを提供する。コントローラ３０は、ここで説明する目的に適切な任意のコンピュータでよい。検出プロセスを開始すると、コントローラ３０は、カメラ２２に、所定のレートで試料１２のシーケンシャルな画像の撮影を開始させる。一連の画像化が開始されると、コントローラ３０は増幅器３２へ信号を送り、この信号により増幅器３２はパルスをトランスデューサ１４へ送り、パルス化した超音波信号が生成される。この超音波エネルギは、使用される周波数での単純なパルスの形式を有する。従来技術では現在でも行われているのであるが、エネルギのパルスと画像化との間では、どのようなタイプのベクトル・ロックインや同期画像化技術を用いる必要はない。しかし、そのような信号処理技術を用いて更にノイズを低減することは可能である。ここで説明した周波数及びパルス時間期間は、制限するために示した例ではなく、超音波周波数、パルス時間、入力電力などはシステムごとに及びテストされる試料により異なるということを強調しておく。パルスの終了の後に、コントローラ３０は、カメラ２２に、画像の撮影を停止するように命令する。カメラ２２により生成された画像はモニタ３４へ送られ、モニタ３４は試料１２の側２４の画像を表示する。次に、希望する場合には、別の場所で見るために、画像を記憶装置３６に送ることもできる。
【００１９】
試料１２へ印加された超音波エネルギは、試料１２の欠陥やクラックの面が互いに摺り合わされるようにし、熱を発生させる。この熱は、カメラ２２が生成した画像においては、明るいスポットとして現れる。従って、このシステムは、非常に小さい狭く閉じたクラックを識別するのに非常に好適である。クラックの面が接触しない開いたクラックに対しては、熱は、クラック先端での応力が集中している点で生成される。この点は、画像上で明るいスポットとして現れ、開いたクラックの終端又は先端を示す。超音波エネルギは、エネルギ・パルスに対するクラックの方向に関係なく、試料１２のクラック又は欠陥を加熱するのに有効である。カメラ２２は、試料１２の表面２４の画像を撮影し、試料１２の厚さ内にあるクラックの位置に関係なく、試料１２おけるどのようなクラックでも視覚的に指し示す。
【００２０】
本発明は、既知の超音波及び熱画像化技術に対する改善を与える。なぜなら、クラック及び欠陥を加熱するために使用する超音波パルスが、実質的に一定の振幅を有する単純なパルスであるからであり、また、ベクトル・ロックイン同期画像化で使用されるようなシヌソイド信号変調を用いる必要がないからである。この点を示すために、図３は、縦軸に出力を横軸に時間をとったグラフを示し、ベクトル・ロックイン画像化で用いる超音波信号の波形を示す。超音波信号は、所定の周波数で生成され、低周波数シヌソイド変調波で変調され、これは、所定の変調期間での振幅変調を与える。超音波周波数信号は、低周波数変調波を用いた振幅で上下する。典型的には、超音波励起は、数秒にわたって行われる。この画像化技術により生成される画像は、画像化されている特定のコンポーネントの実際の画像ではなく、同期画像化における減算プロセスにより生成される差分画像である。これらのタイプのシステムにおいてノイズを低減するこのタイプのベクトル・ロックイン同期画像化の詳しい説明は、’１１６特許に記載されている。
【００２１】
図４は、縦軸に出力をとり横軸に時間をとったグラフを示し、本発明における超音波励起を与えるために使用されるパルスを示す。各パルス内の超音波周波数信号は、実質的に同じ振幅を有し、低周波数シヌソイド波形により変調されない。カメラ２２により生成される画像は実際の画像であり、ベクトル・ロックイン同期画像化技術で生成されるタイプの差分画像ではない。これにより、画像の向上及び制御の簡素化という点で、大きな改善がなされる。１つのパルスで通常は十分であるが、ノイズ低減のために信号を平均化する目的で、所定の時間期間だけ間隔をあけた複数のパルスを用いることができる。「ボックス・カー」統合の技術を、’１８３特許で説明されているように用いることができる。この技術では、各パルスに対して画像を識別するために各時間ウインドウにおいてゲートが用いられ、このゲートは、パルスの開始から或る固定の時間遅延されたところにある。ゲートされた画像の獲得の間に、異なる遅延時間に対応する複数の画像が、算術的に合成されて、非同期の背景効果を抑制する。
【００２２】
図５（ａ）〜５（ｄ）は、金属試料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を示す。図５（ａ）は、超音波エネルギが印加される前の試料４２の画像３８を示す。図５（ｂ）は、超音波エネルギが印加された１４ミリ秒後の試料４２の画像３８を示す。明らかなように、明るい（高い温度）スポット４４（暗い領域として描かれている）が、クラック４０の閉じた端部に現れる。そこでは機械的振動により熱が発生しているのである。図５（ｃ）及び５（ｄ）は、それぞれ、６４ミリ秒後及び１１４ミリ秒後の画像３８を示す。試料４２上の明るいスポット４４は、このシーケンスにわたって劇的に増加し、クラック４０の位置を明確に示している。
【００２３】
図６は、超音波パルスによりエネルギが与えられた後の試料５２の閉じたクラック５０の画像４８を示す。この実施形態では、クラック５０は閉じているので、クラック５０の長さ全体が熱を発生し、クラック５０の長さ全体に沿って明るいスポット５４を作り、閉じたクラックを指示している。超音波エネルギは、閉じたクラック５０を背景との関係で十分に加熱させるのに有効であるので、非常に短い閉じたクラック、例えば、２／３ｍｍ程度のクラックを、画像４８で容易に確かめることができる。
【００２４】
図７は試料６８の画像６６を示す。この画像では、明るいスポット７０が示され、層間剥離又は不結合を超音波で励起することによって生じる熱エネルギから生成されるタイプの画像を表すことを意図している。本発明の熱画像化技術は、「キッシング（kissing、接触している）」不結合を識別するのに特に有用である。
【００２５】
図８は、オペレータ５８が手持型トランスデューサ５８を、航空機の胴体のような試料６０に対して保持しているところの斜視図である。熱画像化カメラ６２は、トランスデューサ５８の接触点から離れた位置で試料６０へ向けられている。図８は、本発明によるシステムがこのようなコンポーネントのテストの分野で使用できることを示す。
【００２６】
トランスデューサ１４は、本発明の熱音プロセスの目的に適した従来型のトランスデューサである。トランスデューサ１４は、付勢されているコンポーネントに対して外部的な圧電素子を用いて、電気パルスから機械的変位への従来型の変換を提供するため、トランスデューサとコンポーネントとの間の機械的な結合を必要とするのが一般的である。例えば、圧電トランスデューサ１４は、正確な寸法に切断されその切断された寸法によって決定される非常に狭い周波数で動作する圧電結晶のＰＺＴスタックを用いている。このＰＺＴスタックはトランスデューサ１４の先端に機械的に結合され、この先端が付勢されるコンポーネントに対して押し付けられる。先端は、その寸法が固定されており可撓的ではないため、広い接触面積を示し、その接触面積内に圧力を生じる。これは、コンポーネントの平坦でなく滑らかでない表面によって更に影響を受ける。結合のこのような非一様性は時として制御が困難であり、テスト結果の変動に寄与する最大のファクタであると考えられる。
【００２７】
本発明の別の実施例では、トランスデューサ１４の代わりに電磁音響トランスデューサ（electro-magnetic acoustic transducer = EMAT）を用いて、上述した制限を除去している。ＥＭＡＴは、欠陥の有無をテストする部分を付勢するのに用いられることがある周知の装置である。このタイプのＥＭＡＴの例は、"Electromagnetic Acoustic Transducer EMAT and Inspection System with EMAR"と題する２０００年８月２９日に与えられた米国特許第６，１０９，１０８号において見ることができる。
【００２８】
既知であるが、ＥＭＡＴは、テスト対象の中に静磁場を発生する永久磁石又は電磁石を含む。提供される電磁石は、時間変動する電流を用いて付勢されると、テスト対象の表面又は表面のすぐ下に渦電流を発生する。この渦電流は、静磁場と相互作用して、テスト対象の中の自由電子に作用するローレンツ力を発生し、これによって、自由電子とイオンとの衝突が、静磁場の方向と局所的な渦電流の方向とに相互に垂直な方向に生じる。この相互作用により、様々な（縦方向、専断方向）分極を有する音波が発生され、これがテスト対象の中の不連続部分から反射されることにより、この技術分野において既知である検出システムにおいて、欠陥が識別される。本発明では、これらの音波は、欠陥の位置において熱を発生させる。音波は様々な形式を有するが、例えば、限定を意味するものではないが、剪断波、表面波、プレート波、レイリー（Rayleigh）波、ラム（lamb）波などを含む。ＥＭＡＴを欠陥検出に用いるのは、強磁性及び非強磁性材料を含む導電性又は磁気構造に限定される。磁気構造が非導電性である場合には、音の発生は、磁気圧縮（magneto-striction）を通じて生じる。
【００２９】
ＥＭＡＴは、広い範囲の周波数及びパルス継続時間で動作させることができる電磁装置である。周波数レンジが２０から２５ｋＨｚの超音波エネルギは、鉄鋼中では、０．３から０．４ｍのオーダーの波長を有する。コンポーネントのサイズと形状とに応じて、様々な効果により、コンポーネントの異なる領域における機械的エネルギに変動が生じる。例えば、反射により建設的干渉及び相殺的干渉が、エネルギが与えられていない隠れた領域において生じることがある。これらの効果は、すべて、波長とコンポーネントの寸法とに依存する。従って、システムが励起パルスの周波数を変化させる柔軟性を有していることが重要である。本発明のこの実施例においてＥＭＡＴを用いることにより、音信号の周波数（波長）が励起パルスの間に変化することが可能になる。複数の周波数の音信号を提供することによって、節的（nodal）事象や幾何学的効果を最小化することができる。電磁石に与えられる時間変動する信号は、離散的な周波数値を有するステップ状の周波数信号や、連続的な範囲にあり急速に掃引される周波数を有する掃引周波数でありうる。更に、この信号は、パルス状の周波数信号、矩形波信号、スパイク・パルス信号などでもありうる。
【００３０】
また、ＥＭＡＴの使用には、コンポーネントにおいて音波を生じさせるのにテスト対象のコンポーネントと接触させる必要がないという利点が含まれる。ＥＭＡＴがテスト対象のコンポーネントと接触する必要がないため、音発生装置の機械的結合に付随するいくつかの問題点が解消される。解消される問題には、自己破壊的な結合、コンポーネント表面の損傷、音源の損傷及び摩耗などがある。
【００３１】
別の実施例では、大型の又は形状が複雑なコンポーネントの励起又は付勢のために、複数のセンサ又はＥＭＡＴを提供することもある。これらの複数センサは、付勢シーケンスにおいて多重化され、コンポーネントのすべての領域が音波に与えられる可能性を増加させることができる。
【００３２】
図９は、本発明のある実施例により、上述したタイプのＥＭＡＴ８４を用いてコンポーネント８２における欠陥を検出するのに用いられる画像化システム８０の平面図である。この例では、コンポーネント８２はタービン・エンジン内部のタービン・ブレードなどの遠隔的な部分であるが、欠陥を検出される任意の適切な部分でありうる。ある長さのケーブル８６がＥＭＡＴ８４と上述したコントローラ３０などのコントローラ（図示せず）とに取り付けられている。ＥＭＡＴ８４は、コイル８８と永久磁石９０とを含む。別の実施例では、ＥＭＡＴ８４は、電磁石を用いて静磁場を発生させることもできる。更に別の実施例では、複数のＥＭＡＴを用いて、これらのＥＭＡＴが多重化シーケンスで付勢されるようにすることもできる。また、ＥＭＡＴ８４は、コンポーネント８２と接触しているように示されているが、別の実施例では、コンポーネント８２から僅かに離して配置して、所望の音波効果を依然として提供することが可能である。
【００３３】
ケーブル８６上のＡＣ電圧信号がコイル８８に与えられると、渦電流が生じ、永久磁石９０によって発生された静磁場とコンポーネント８２において相互作用を生じる。渦電流と静磁場との相互作用は、音波又は超音波を発生させ、これによって、コンポーネント８２における欠陥及びクラックの表面が相互に摺り合わされ、熱が生じる。放射収集ユニット９４が赤外線カメラ２２などの適切な赤外線カメラ（図示せず）に接続されており、コンポーネント８２の近傍に配置された赤外線レンズを含んでいる。クラック１００においてコンポーネント８２から放出される赤外線放射９８は、レンズ９６によってユニット９４の中に合焦され、ユニット９４に沿って反射され、ＩＲレンズ及びミラー構成１０２を通過してカメラに至る。ＩＲ光ファイバ束をユニット９４の代わりに用いて、放射をカメラまで運ぶこともできる。
【００３４】
コイル８８は、システム１０について上述したのと同じ態様でパルス化され、同じように画像が発生される。システム８０はＥＭＡＴ８４を用いているから、コイル８８に与えられる信号のＡＣ電圧の時間依存性を変更して、それぞれのパルスの間に異なる音波周波数がコンポーネント８２において誘導させるようにすることもできる。ＥＭＡＴ８４に与えられる時間依存的なＡＣ電圧信号は、本発明の範囲内で、ステップ状の周波数、掃引周波数、パルス状の周波数、矩形波パルス、スパイク状のパルスなどを有することができる。これによって、システム８０を選択的に制御して、音波がテスト期間中にコンポーネント８２のすべての領域に入り込むようにすることができる。
【００３５】
以上の記述は、本発明の単なる例を開示及び説明するものである。当業者であれば、以上の説明、添付の図面及び冒頭の特許請求の範囲から、特許請求の範囲によって定義された本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、多種の変更、修正及び変形を行えることを、容易に認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明による画像化システムのブロック図である。
【図２】  図２は、図１に示す画像化システムのトランスデューサ、試料及びカメラの分解した側面図である。
【図３】  図３は、ベクトル・ロックイン同期画像化を用いる既知の熱画像化技術において使用される超音波信号を示すグラフであり、縦軸に出力、横軸に時間を示す。
【図４】  図４は、本発明の熱画像化技術で用いるパルス化した超音波信号を示すグラフであり、縦軸に出力、横軸に時間を示す。
【図５】  図５（ａ）〜５（ｄ）は、本発明の画像化システムによって超音波的に励起され画像化された試料の開いたクラックの所定の時間間隔での連続的画像を示す。
【図６】  図６は、本発明の画像化システムで生成された画像であり、超音波エネルギにより励起された閉じたクラックを示す。
【図７】  図７は、本発明の画像化システムで生成された画像であり、超音波エネルギにより励起された層間剥離又は不結合を示す。
【図８】  図８は、人が超音波トランスデューサを航空機コンポーネントに対して保持し、本発明の画像化システムを用いてコンポーネントの欠陥を検査しているところの斜視図である。
【図９】  図９は、本発明の別の実施例による電磁音響トランスデューサを用いた熱音画像化システムの平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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