(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の部品に長尺構造物を設けた検査対象品に対して前記長尺構造物の両側に配置された、周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であるラム波を前記検査対象品の検査領域に向けて送信する超音波振動子と、
前記長尺構造物の両側に配置された、前記検査領域を通過した前記ラム波を検出する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサから光の波長の振動として出力される前記ラム波の検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による検出信号に変換する光フィルタと、
前記光ファイバセンサで検出された前記ラム波に対応する波形であって、前記光フィルタによって前記光強度の振動による検出信号として取得された前記波形に対する加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理並びにフーリエ変換又はウェーブレット変換を実行することによって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形を取得し、取得した前記単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における変化量に基づいて前記検査領域における損傷の有無を検出する損傷検出部と、
を備え、
前記長尺構造物の両側にそれぞれ２組の前記超音波振動子及び前記光ファイバセンサを逆向きに配置し、前記長尺構造物で仕切られたエリアにおいて双方向に前記ラム波を送信するように構成された超音波探傷システム。
【請求項２】
金属及び複合材の少なくとも一方からなる検査対象品であって、板状の部品に長尺構造物を設けた前記検査対象品に対して前記長尺構造物の両側に配置された、周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であるラム波を前記検査対象品の検査領域に向けて送信する超音波振動子と、
前記長尺構造物の両側に配置された、前記検査領域を通過した前記ラム波を検出する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサから光の波長の振動として出力される前記ラム波の検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による検出信号に変換する光フィルタと、
前記光ファイバセンサで検出された前記ラム波に対応する波形であって、前記光フィルタによって前記光強度の振動による検出信号として取得された前記波形に対する加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理並びにフーリエ変換又はウェーブレット変換を実行することによって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形を取得し、取得した前記単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における変化量に基づいて前記検査領域における損傷の有無を検出する損傷検出部と、
を備え、
少なくとも１つの超音波振動子と、少なくとも１つの光ファイバセンサとを１０００ｍｍ以上離れた位置に配置した超音波探傷システム。
【請求項３】
異なる位置から前記ラム波を検査領域に向けて送信する複数の超音波振動子と、
前記検査領域を通過した、前記複数の超音波振動子からの各ラム波を検出する共通の光ファイバセンサとを備え、
前記損傷検出部は、前記共通の光ファイバセンサで検出された前記各ラム波に対応する波形と、それぞれの基準となる波形との間における各変化量に基づいて前記検査領域における損傷の存在範囲を検出するように構成される請求項１又は２記載の超音波探傷システム。
【請求項４】
前記超音波振動子は、扇状に進行する指向性のあるラム波を送信するように構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波探傷システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波探傷システムを取付けた航空機構造体。
【請求項６】
板状の部品に複数の長尺構造物を設けた構造を有し、隣接する２つの長尺構造物の間に２組の超音波振動子及び光ファイバセンサを逆向きに配置した請求項５記載の航空機構造体。
【請求項７】
板状の部品に長尺構造物を設けた検査対象品に対して前記長尺構造物の両側に配置された超音波振動子で周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であるラム波を前記検査対象品の検査領域に向けて送信するステップと、
前記検査領域を通過した前記ラム波を、前記長尺構造物の両側に配置された光ファイバセンサで検出するステップと、
前記光ファイバセンサから光の波長の振動として出力される前記ラム波の検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による検出信号に光フィルタで変換するステップと、
前記光ファイバセンサで検出された前記ラム波に対応する波形であって、前記光フィルタによって前記光強度の振動による検出信号として取得された前記波形に対する加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理並びにフーリエ変換又はウェーブレット変換を実行することによって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形を取得し、取得した前記単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における変化量に基づいて前記検査領域における損傷の有無を検出するステップと、
を有し、
少なくとも１つの長尺構造物の両側にそれぞれ２組の超音波振動子及び光ファイバセンサを逆向きに配置し、前記長尺構造物で仕切られたエリアにおいて双方向に前記ラム波を送信する超音波探傷方法。
【請求項８】
金属及び複合材の少なくとも一方からなる検査対象品であって、板状の部品に長尺構造物を設けた前記検査対象品に対して前記長尺構造物の両側に配置された超音波振動子で周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であるラム波を前記検査対象品の検査領域に向けて送信するステップと、
前記検査領域を通過した前記ラム波を、前記長尺構造物の両側に配置された光ファイバセンサで検出するステップと、
前記光ファイバセンサから光の波長の振動として出力される前記ラム波の検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による検出信号に光フィルタで変換するステップと、
前記光ファイバセンサで検出された前記ラム波に対応する波形であって、前記光フィルタによって前記光強度の振動による検出信号として取得された前記波形に対する加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理並びにフーリエ変換又はウェーブレット変換を実行することによって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形を取得し、取得した前記単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における変化量に基づいて前記検査領域における損傷の有無を検出するステップと、
を有し、
少なくとも１つの超音波振動子と、少なくとも１つの光ファイバセンサとを１０００ｍｍ以上離れた位置に配置する超音波探傷方法。
【請求項９】
前記検査領域において損傷が検出された場合には、検出された前記損傷を含み、かつ前記検査領域よりも狭い新たな検査領域を設定して前記損傷の非破壊検査を行うステップを更に有する請求項７又は８記載の超音波探傷方法。
【請求項１０】
前記新たな検査領域に対する前記損傷の非破壊検査として、前記新たな検査領域からのラム波の反射波に基づいて前記損傷の位置を検出する検査を行う請求項９記載の超音波探傷方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの長尺構造物の両側にそれぞれ２組の超音波振動子及び光ファイバセンサを逆向きに配置し、前記長尺構造物で仕切られたエリアにおいて双方向に前記ラム波を送信する請求項８記載の超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波探傷システム、超音波探傷方法及び航空機構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、航空機等の構造部材を非破壊で検査する方法として超音波探傷法が知られている。具体例として、探傷領域に向けて超音波を発振するアクチュエータと、探傷領域において反射した超音波反射波を受信するためのファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ：  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）センサとを用いることによって、接着部位又は接合部位における剥離や剥がれ等の損傷の長さを測定することが可能な損傷長測定システムが提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８５９２１号公報
【特許文献２】特開２０１４−１９４３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の超音波探傷法では、探傷範囲における損傷の長さや大きさを測定することができるが、接着部等の局所的な探傷範囲の検査しか行うことができない。すなわち、アクチュエータ及びセンサから短距離にある損傷しか検出することができない。具体的には、アクチュエータとセンサとを、最大でも３００ｍｍ以下の間隔となるように配置する必要がある。このため、大型の航空機部品等の探傷検査を行うためには極めて多数のアクチュエータ及びセンサを高密度に配置することが必要となり、現実的ではない。
【０００５】
そこで、本発明は、より広い範囲を対象として被検査対象の損傷を非破壊で検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態に係る超音波探傷システムは、板状の部品に長尺構造物を設けた検査対象品に対して前記長尺構造物の両側に配置された超音波振動子、前記長尺構造物の両側に配置された光ファイバセンサ、光フィルタ及び損傷検出部を備えたものである。超音波振動子は、周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であるラム波を前記検査対象品の検査領域に向けて送信する。光ファイバセンサは、前記検査領域を通過した前記ラム波を検出する。光フィルタは、前記光ファイバセンサから光の波長の振動として出力される前記ラム波の検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による検出信号に変換する。損傷検出部は、前記光ファイバセンサで検出された前記ラム波に対応する波形であって、前記光フィルタによって前記光強度の振動による検出信号として取得された前記波形に対する加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理並びにフーリエ変換又はウェーブレット変換を実行することによって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形を取得し、取得した前記単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における変化量に基づいて前記検査領域における損傷の有無を検出する。また、前記長尺構造物の両側にそれぞれ２組の前記超音波振動子及び前記光ファイバセンサを逆向きに配置し、前記長尺構造物で仕切られたエリアにおいて双方向に前記ラム波を送信するように構成される。
また、本発明の実施形態に係る超音波探傷システムは、金属及び複合材の少なくとも一方からなる検査対象品であって、板状の部品に長尺構造物を設けた前記検査対象品に対して前記長尺構造物の両側に配置された超音波振動子、前記長尺構造物の両側に配置された光ファイバセンサ、光フィルタ及び損傷検出部を備えたものである。超音波振動子は、周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であるラム波を前記検査対象品の検査領域に向けて送信する。光ファイバセンサは、前記検査領域を通過した前記ラム波を検出する。光フィルタは、前記光ファイバセンサから光の波長の振動として出力される前記ラム波の検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による検出信号に変換する。損傷検出部は、前記光ファイバセンサで検出された前記ラム波に対応する波形であって、前記光フィルタによって前記光強度の振動による検出信号として取得された前記波形に対する加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理並びにフーリエ変換又はウェーブレット変換を実行することによって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形を取得し、取得した前記単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における変化量に基づいて前記検査領域における損傷の有無を検出する。また、少なくとも１つの超音波振動子と、少なくとも１つの光ファイバセンサとを１０００ｍｍ以上離れた位置に配置する。
また、本発明の実施形態に係る航空機構造体は、前記超音波探傷システムを取付けたものである。
また、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法は、板状の部品に長尺構造物を設けた検査対象品に対して前記長尺構造物の両側に配置された超音波振動子で周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であるラム波を前記検査対象品の検査領域に向けて送信するステップと、前記検査領域を通過した前記ラム波を、前記長尺構造物の両側に配置された光ファイバセンサで検出するステップと、前記光ファイバセンサから光の波長の振動として出力される前記ラム波の検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による検出信号に光フィルタで変換するステップと、前記光ファイバセンサで検出された前記ラム波に対応する波形であって、前記光フィルタによって前記光強度の振動による検出信号として取得された前記波形に対する加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理並びにフーリエ変換又はウェーブレット変換を実行することによって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形を取得し、取得した前記単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における変化量に基づいて前記検査領域における損傷の有無を検出するステップとを有するものである。また、少なくとも１つの長尺構造物の両側にそれぞれ２組の超音波振動子及び光ファイバセンサを逆向きに配置し、前記長尺構造物で仕切られたエリアにおいて双方向に前記ラム波を送信する。
また、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法は、金属及び複合材の少なくとも一方からなる検査対象品であって、板状の部品に長尺構造物を設けた検査対象品に対して前記長尺構造物の両側に配置された超音波振動子で周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であるラム波を前記検査対象品の検査領域に向けて送信するステップと、前記検査領域を通過した前記ラム波を、前記長尺構造物の両側に配置された光ファイバセンサで検出するステップと、前記光ファイバセンサから光の波長の振動として出力される前記ラム波の検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による検出信号に光フィルタで変換するステップと、前記光ファイバセンサで検出された前記ラム波に対応する波形であって、前記光フィルタによって前記光強度の振動による検出信号として取得された前記波形に対する加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理並びにフーリエ変換又はウェーブレット変換を実行することによって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形を取得し、取得した前記単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における変化量に基づいて前記検査領域における損傷の有無を検出するステップとを有するものである。また、少なくとも１つの超音波振動子と、少なくとも１つの光ファイバセンサとを１０００ｍｍ以上離れた位置に配置する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波探傷システムの構成図。
【図２】図１に示す超音波探傷システムの位置Ａ−Ａにおける断面図。
【図３】図１に示す損傷検出部の詳細構成例を示す機能ブロック図。
【図４】図３に示す光フィルタによって光信号の振幅を増幅させる原理を説明する図。
【図５】図１に示す損傷検出部において比較対象となる超音波信号の波形の一例を示す図。
【図６】図１に示す制御系の詳細構成例を示す図。
【図７】図１に示す超音波探傷システムにより被検査対象の検査領域における探傷検査を行う場合の流れの一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態に係る超音波探傷システム、超音波探傷方法及び航空機構造体について添付図面を参照して説明する。
【０００９】
（構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る超音波探傷システムの構成図であり、図２は図１に示す超音波探傷システムの位置Ａ−Ａにおける断面図である。
【００１０】
超音波探傷システム１は、検査対象品Ｗの検査領域Ｒを透過した超音波Ｕを利用して非破壊で検査領域Ｒに損傷があるか否かを検出するシステムである。そのために、超音波探傷システム１は、超音波Ｕを検査領域Ｒに向けて送信する少なくとも１つの超音波振動子２、検査領域Ｒを通過した超音波Ｕを検出する少なくとも１つの超音波センサ３、損傷検出部４及び制御系５を有する。
【００１１】
特に、検査対象品Ｗが航空機構造体のような大型の部品である場合には、検査領域Ｒのサイズも広範囲となる。そこで、少なくとも１つの超音波振動子２と、少なくとも１つの超音波センサ３とを３００ｍｍよりも長い距離だけ離れた位置に配置することができる。これにより、３００ｍｍよりも長い幅を有する検査領域Ｒの非破壊検査が可能となる。特に、後述するように適切な条件を設定すれば、少なくとも１つの超音波振動子２と、少なくとも１つの超音波センサ３とを１０００ｍｍ以上離れた位置に配置することも可能である。その場合には、１０００ｍｍ以上の幅を有する検査領域Ｒの非破壊検査が可能となる。
【００１２】
検査領域Ｒを２次元的に広げる観点からは、異なる位置から超音波Ｕを検査領域Ｒに向けて送信する複数の超音波振動子２を設けることが好適である。この場合、検査領域Ｒを通過した、複数の超音波振動子２からの各超音波Ｕが、少なくとも１つの超音波センサ３によって検出されることになるが、超音波センサ３についても複数個設けることが検査領域Ｒを２次元的に広げる観点から有効である。
【００１３】
すなわち、異なる位置に超音波振動子２を配置して超音波Ｕを送信できるようにすれば、検査領域Ｒを超音波振動子２の配列方向に拡大することができる。一方、異なる位置に複数の超音波センサ３を配置して超音波Ｕを受信できるようにすれば、検査領域Ｒを超音波センサ３の配列方向に拡大することができる。従って、複数の超音波振動子２及び複数の超音波センサ３を配置することによって、より広範囲の領域を検査領域Ｒとすることができる。特に、超音波振動子２及び超音波センサ３で構成される検査ユニットを複数の位置に配置すれば、複数の検査ユニットから相互に超音波Ｕを送受信することによって検査領域Ｒにおける損傷の有無を診断することが可能となる。
【００１４】
また、検査対象品Ｗの構造に応じて適切な位置に超音波振動子２及び超音波センサ３を配置することによって、効果的な検査を行うことが可能となる。具体例として、検査対象品Ｗが、板状の部品Ｗ１に少なくとも１つの長尺構造物Ｗ２を設けた構造を有する場合であれば、複数の超音波振動子２及び複数の超音波センサ３を配置し、少なくとも１つの長尺構造物Ｗ２の両側にそれぞれ少なくとも一対の超音波振動子２及び超音波センサ３を配置することが好適である。
【００１５】
この場合、長尺構造物Ｗ２において超音波Ｕが反射することによって超音波Ｕが減衰したとしても、長尺構造物Ｗ２で仕切られた両側の領域における損傷の有無を高精度かつ確実に検出することが可能となる。つまり、十分な強度を有する超音波Ｕが長尺構造物Ｗ２を透過できない場合であっても、長尺構造物Ｗ２の両側の領域における損傷の有無を検出することができる。特に、多数の長尺構造物Ｗ２が板状の部品Ｗ１に設けられている場合には、全ての長尺構造物Ｗ２を透過する超音波Ｕの強度が減衰し、十分な信号対雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）で超音波Ｕを検出することが困難となる場合がある。このため、多数の長尺構造物Ｗ２が板状の部品Ｗ１に設けられている場合には、各長尺構造物Ｗ２の両側にそれぞれ少なくとも一対の超音波振動子２及び超音波センサ３を配置することが有効である。
【００１６】
但し、概ね１ｍ四方の板状の部品Ｗ１に３つの長尺構造物Ｗ２を設けた検査対象品Ｗを対象として超音波Ｕの送受信を行った結果、超音波Ｕの検出感度が良好となるように適切な条件を決定すれば、３つの長尺構造物Ｗ２を透過した超音波Ｕを十分なＳＮＲで超音波センサ３により検出できることが確認された。従って、４つ以上の長尺構造物Ｗ２が板状の部品Ｗ１に設けられている場合には、適切な数の超音波振動子２及び超音波センサ３を適切な位置に配置し、３つ以下の長尺構造物Ｗ２を透過した超音波Ｕを単一又は複数の超音波センサ３で検出するように構成することが、不要な信号処理を回避する観点から好適であると考えられる。
【００１７】
更に、隣接する２つの長尺構造物Ｗ２の間に少なくとも１対の超音波振動子２及び超音波センサ３を配置して超音波振動子２から超音波Ｕを送信すると、隣接する２つの長尺構造物Ｗ２に超音波Ｕが反射しながら超音波センサ３に向かって伝播するため、超音波Ｕの減衰量を低減できることが確認された。従って、板状の部品Ｗ１に複数の長尺構造物Ｗ２を設けた構造を有する検査対象品Ｗを対象として超音波Ｕを送受信する場合には、隣接する少なくとも２つの長尺構造物Ｗ２の間に少なくとも一対の超音波振動子２及び超音波センサ３を配置することが、損傷を高精度に検出する観点から効果的である。
【００１８】
図示された例では、板状の部品Ｗ１に３つの長尺構造物Ｗ２を設けた構造を有する検査対象品Ｗに、８つの超音波振動子２及び８つの超音波センサ３が配置されている。そして、各長尺構造物Ｗ２の両側にそれぞれ２組の超音波振動子２及び超音波センサ３が逆向きに配置されている。換言すれば、各長尺構造物Ｗ２で仕切られたエリアにそれぞれ２組の超音波振動子２及び超音波センサ３が逆向きに配置されている。従って、各長尺構造物Ｗ２で仕切られたエリアにおいて、双方向に超音波Ｕを送信することが可能である。しかも、上述したように３つ程度の長尺構造物Ｗ２であれば、長尺構造物Ｗ２を透過した超音波Ｕを十分なＳＮＲで検出できるため、検査領域Ｒに網の目のように超音波Ｕを送信することができる。このため、長尺構造物Ｗ２によって区切られた板状の部品Ｗ１の４つのエリアにおける損傷の有無をそれぞれ高精度に検出することができる。
【００１９】
このような構造を有する検査対象品Ｗの例としては、桁（スパー）、小骨（リブ）及び縦通材（ストリンガー）の少なくとも１つを外板（パネル）（スキンとも言う）に取付けた航空機構造体が挙げられる。このため、メートル級の大型の航空機構造体を対象として超音波Ｕを利用した非破壊検査を行うことができる。
【００２０】
損傷の有無は、検査領域Ｒを透過した超音波Ｕの波形の変化に基づいて判定することができる。すなわち、超音波Ｕの伝播経路上に損傷が存在すると、超音波Ｕの波形に変化が生じる。従って、超音波Ｕの伝播経路上に損傷が存在しない場合における超音波Ｕの波形と、超音波Ｕの伝播経路上に損傷が存在する場合における超音波Ｕの波形とが互いに異なることを利用して検査領域Ｒにおける損傷の有無を判定することができる。より具体的には、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する波形の、基準となる波形からの変化量が大きい場合には超音波Ｕの伝播経路上に損傷が存在すると判定することができる。
【００２１】
従って、超音波振動子２と超音波センサ３との間における距離が長い場合であっても、超音波Ｕの波形の変化を十分な精度で検出できるようにすることが重要となる。試験の結果、周波数帯域が５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の超音波Ｕを、損傷が存在する検査領域Ｒに送信すると、損傷部分を通過した超音波Ｕの波形が観測できる程度に変化することが確認された。特に、周波数帯域が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下である超音波Ｕを損傷が存在する検査領域Ｒに送信すると、超音波Ｕの減衰が少なく、損傷部分を通過した超音波Ｕの波形変化を実用的なＳＮＲと精度で検出することができることも確認された。この結果は、超音波Ｕが伝播する材質が金属であるか複合材であるかに関わらず共通するものと考えられる。
【００２２】
このため、各超音波振動子２から、周波数が５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下である超音波Ｕを送信することが適切である。特に、各超音波振動子２から周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下の超音波Ｕを送信することが、検査領域Ｒにおける損傷の有無を一層高精度に検出する観点から好適である。
【００２３】
また、複数の超音波振動子２から送信された超音波Ｕを共通の超音波センサ３で受信する場合や逆に単一の超音波振動子２から送信された超音波Ｕを複数の超音波センサ３で受信する場合には、超音波Ｕが十分に広がりながら検査対象品Ｗを伝搬するようにすることが重要である。一方、超音波Ｕが指向性のない球面波であると、意図しない方向からの超音波の反射波や雑音が超音波センサ３で受信される恐れがある。従って、適切な程度の指向性を有する超音波Ｕを送信することが、ＳＮＲ及び精度を維持しつつ、対向しない超音波振動子２から送信された超音波Ｕを超音波センサ３で受信できるようにする観点から重要である。
【００２４】
また、超音波センサ３で受信される超音波ＵのＳＮＲ及び精度を向上させる観点からは、ラム（Ｌａｍｂ）波を用いることが効果的である。すなわち、各超音波振動子２から超音波Ｕとしてラム波を送信することが好適である。ラム波は、超音波Ｕの波長の半分以下の薄板を面内方向に伝播する波であり、かつ対称モードと非対称モードとが混在する波である。
【００２５】
超音波Ｕを送信するための超音波振動子２としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：  ｌｅａｄ  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ）等の圧電素子を用いることができる。一方、超音波Ｕを検出するための超音波センサ３としては、圧電素子等の超音波振動子又は光ファイバセンサ等のセンサを用いることができる。
【００２６】
超音波振動子を超音波センサ３として用いる場合には、超音波振動子において超音波信号が電気信号に変換される。一方、光ファイバセンサを超音波センサ３として用いる場合には、光ファイバセンサにおいて超音波信号が光信号に変換される。具体的には、超音波Ｕによる振動によって光ファイバセンサに微小な歪が生じると、光ファイバセンサの光学特性が歪量に応じて変化する。その結果、超音波信号の振幅に応じた振幅を有する光信号を光ファイバセンサから出力することができる。
【００２７】
但し、超音波振動子を超音波センサ３として用いると、共振周波数から大きくシフトした周波数を有する超音波Ｕを送信した場合に、十分な感度で超音波Ｕを受信できなくなる恐れがある。これに対して、光ファイバセンサは、感度について周波数依存性のない超音波センサ３である。従って、光ファイバセンサを超音波センサ３として用いれば、超音波振動子を超音波センサ３として用いる場合に比べて、より広帯域の超音波Ｕを高感度で検出することが可能となる。
【００２８】
加えて、光ファイバセンサは受信指向性を有する。このため、光ファイバセンサを超音波センサ３として用いれば、不要な方向から伝播する超音波Ｕの検出を回避し、必要な超音波信号を選択的に検出することが可能となる。
【００２９】
従って、超音波センサ３として光ファイバセンサを用いることが好適な条件である。受信指向性を有する光ファイバセンサが超音波センサ３として用いられる場合には、超音波振動子２から送信される超音波Ｕの伝播エリアと、光ファイバセンサによって超音波Ｕを検出することが可能なエリアが重なるように超音波振動子２及び光ファイバセンサを配置することが必要である。
【００３０】
光ファイバセンサの例としては、ＦＢＧセンサや位相シフトＦＢＧ  （ＰＳ−ＦＢＧ：  Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｅｄ  ＦＢＧ）センサが挙げられる。ＰＳ−ＦＢＧは、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したＦＢＧである。
【００３１】
以上のように、扇状に進行する指向性のあるラム波であって、周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下のラム波を複数の方向から検査領域Ｒに送信し、検査領域Ｒを経由したラム波を複数のファイバセンサで検出するようにすれば、非常に広範囲の探傷検査を行うことができる。
【００３２】
超音波センサ３において検出された超音波Ｕは、超音波センサ３が超音波振動子であれば電気信号に変換されて、超音波センサ３が光ファイバセンサであれば光信号に変換されて、損傷検出部４に出力される。以降では、超音波センサ３が光ファイバセンサである場合を例に説明する。
【００３３】
損傷検出部４は、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する波形と、基準となる波形との間における変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無を検出するための構成要素である。損傷検出部４にも、超音波振動子２及び超音波センサ３が３００ｍｍ超離れた位置に配置される場合のように検査領域Ｒが広い場合であっても十分な精度で超音波Ｕの波形の変化を捉えることができるように、様々な信号処理機能を設けることができる。特に、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対して適切な信号処理を実行すれば、超音波振動子２及び超音波センサ３が１０００ｍｍ以上離れた位置に配置される場合であっても、超音波Ｕの波形の変化を捉えることが可能な範疇にすることができる。
【００３４】
図３は、図１に示す損傷検出部４の詳細構成例を示す機能ブロック図である。
【００３５】
損傷検出部４は、光源６、光サーキュレータ７、光フィルタ８、光電変換器９、Ａ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  ｄｉｇｉｔａｌ）変換器１０、信号処理回路１１、表示装置１２及び記憶装置１３を用いて構成することができる。信号処理回路１１は、プログラムを実行することによって、加算平均化（アベレージング）処理部１１Ａ、フィルタ処理部１１Ｂ、移動平均化処理部１１Ｃ、フーリエ変換（ＦＴ：Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）部１１Ｄ、包絡線検波処理部１１Ｅ及び波形比較部１１Ｆとして機能する。信号処理回路１１により実行されるプログラムは、記憶装置１３に保存して信号処理回路１１がプログラムの実行時に読込むようにしても良いし、信号処理回路１１自体にプログラムを記憶させてもよい。
【００３６】
光源６から出射したレーザ光は、光サーキュレータ７を経由して光ファイバセンサの一例としてのＦＢＧセンサ３Ａに入射する。ＦＢＧセンサ３Ａで反射した反射光は、光サーキュレータ７を経由して光フィルタ８に入射する。光フィルタ８を透過した反射光は、光電変換器９に出力される。
【００３７】
ＦＢＧセンサ３Ａに超音波Ｕが伝播すると、ＦＢＧセンサ３Ａに微小な歪が生じるためＦＢＧセンサ３Ａの光反射特性が歪量に応じて変化する。従って、ＦＢＧセンサ３Ａにおいて反射する反射光の波長分布は、超音波Ｕの振幅に対応して変化する。これにより、超音波Ｕの強度の振動が光信号の波長の振動に変換される。ＦＢＧセンサ３Ａにおいて得られた光信号は光フィルタ８を通じて光電変換器９に出力される。
【００３８】
光フィルタ８は、必要に応じて設けることができる。光フィルタ８は、光信号の波長帯域を制限する光学素子である。光フィルタ８として用いられる光学素子の例としては、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：  Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）、ＦＢＧ或いはＰＳ−ＦＢＧが挙げられる。
【００３９】
図４は図３に示す光フィルタ８によって光信号の振幅を増幅させる原理を説明する図である。
【００４０】
図４において横軸は光の波長を示し、縦軸はＦＢＧセンサ３Ａにおける光の反射率及び光フィルタ８として用いられるＡＷＧの光の透過率を示す。また、図４において実線はＦＢＧセンサ３Ａにおける光の反射率を示し、点線はＡＷＧにおける光の透過率を示す。
【００４１】
ＦＢＧセンサ３Ａから出力される光信号の波長スペクトルは、図４の実線で例示されるようなＦＢＧセンサ３Ａにおける光の反射率に対応するスペクトルとなる。そして、上述したようにＦＢＧセンサ３Ａから出力される光信号は、図４の実線で例示されるような波長スペクトルの波長が振動する光信号となる。
【００４２】
一方、ＡＷＧの光透過特性は、図４の点線で例示されるような特性に調整される。すなわち、ＦＢＧセンサ３Ａから出力される光信号の波長スペクトルと、ＡＷＧの光透過率が部分的にオーバーラップするようにＦＢＧセンサ３Ａの光反射率及びＡＷＧの光透過率が決定される。
【００４３】
そうすると、ＡＷＧを透過する光信号の強度が、ＡＷＧに入射する光信号の波長に応じて変化することになる。この結果、波長が振動する光信号を、強度が振動する光信号に変換することができる。ＡＷＧの光透過率は、図４に例示されるようにＦＢＧセンサ３Ａにおける光反射率のピークの両側に２つのピークが現れるように設定される。従って、ＡＷＧの透過光は、波長が異なる２つの成分を有する光となる。また、一方の成分の強度が大きくなる程、他方の成分の強度が小さく関係にある。従って、ＡＷＧの透過光に含まれる２つの成分の差分をＡＷＧから出力される光信号とすれば、強度が振動し、かつ振幅が増幅された光信号を得ることができる。
【００４４】
尚、ＦＢＧ或いはＰＳ−ＦＢＧを光フィルタ８として用いることもできる。その場合には、ＦＢＧセンサ３Ａにおける光反射率と、ＦＢＧ或いはＰＳ−ＦＢＧの光透過率をオーバーラップさせればよい。特に、ＰＳ−ＦＢＧは、光透過率及び光反射率に極めて鋭いピークが出現する。従って、ＰＳ−ＦＢＧを光フィルタ８として用いれば、光信号の振幅を一層増幅させることができる。
【００４５】
また、図３に示す例では、ＦＢＧセンサ３Ａからの反射光を光信号としているが、ＦＢＧセンサ３Ａの透過光を光信号とすることもできる。他方、光フィルタ８についても透過光に限らず反射光を出力信号とすることができる。従って、光フィルタ８から出力される光信号の振幅が増幅されるように、ＦＢＧセンサ３Ａ及び光フィルタ８の光学特性が決定される。
【００４６】
このように、ＦＢＧセンサ３Ａの出力先に光フィルタ８を設けると、超音波Ｕの強度の振動に対応して波長が変化する光信号を、超音波Ｕの強度の振動に対応して光強度が変化する光信号に変換することができる。しかも、光信号の波長の変化量よりも、光強度の変化量を大きくすることができる。つまり、光信号の振動の変化量を実質的に増幅することができる。この結果、光信号を極めて高感度に検出することが可能となる。
【００４７】
従って、超音波Ｕをより高感度に検出する観点からは、ＦＢＧセンサ３Ａの出力先に、ＦＢＧセンサ３Ａから光の波長の振動として出力される超音波検出信号を、より振幅が大きい光強度の振動による超音波検出信号に変換する光フィルタ８を設けることが好適である。
【００４８】
光電変換器９では、ＦＢＧセンサ３Ａから光フィルタ８を通じて出力された光信号がアナログの電気信号に変換される。光電変換器９において生成されたアナログの電気信号は、Ａ／Ｄ変換器１０においてデジタルの電気信号に変換された後、信号処理回路１１に出力される。
【００４９】
加算平均化処理部１１Ａは、電気信号に変換された超音波信号の加算平均化処理を実行する機能を有する。従って、加算平均化処理を実行する場合には、必要な回数だけ超音波Ｕの送信及び検出が実行される。そして、複数回に亘って検出された超音波信号が加算される。これにより、超音波信号に重畳するランダムなノイズを低減することができる。
【００５０】
尚、加算平均化処理をＡ／Ｄ変換前におけるアナログの超音波信号に対して実行するようにしてもよい。その場合には、加算平均化処理を実行するためのアナログ信号の処理回路がＡ／Ｄ変換器１０の前段に加算平均化処理部１１Ａとして設けられる。
【００５１】
フィルタ処理部１１Ｂは、超音波信号に、ＬＰＦ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）やＨＰＦ（Ｈｉｇｈ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）等を用いたフィルタ処理を施す機能を有する。このフィルタ処理によって特定の周波数帯域に重畳するノイズを除去することができる。
【００５２】
移動平均化処理部１１Ｃは、超音波信号の移動平均化処理を実行する機能を有する。移動平均化処理は、対象となるデータの直近のｎ個のデータの平均値を、対象となるデータの値とする処理である。重み付けを伴わずに平均値を求める移動平均処理は、単純移動平均（ＳＭＡ：Ｓｉｍｐｌｅ  Ｍｏｖｉｎｇ  Ａｖｅｒａｇｅ）処理と呼ばれる。超音波信号に単純移動平均処理等の移動平均処理を行うと、超音波信号の波形の平滑化を行うことができる。従って、超音波信号に重畳する周期的なノイズを低減することができる。
【００５３】
移動平均化処理のパラメータとなるデータ数ｎの値を小さくすると、超音波信号のシャープネスの劣化が低減される一方、ノイズの低減効果が減少する。逆に、データ数ｎの値を大きくすると、超音波信号のシャープネスが減少する一方、ノイズの低減効果が向上する。
【００５４】
従って、試験等によって経験的に適切なデータ数ｎの値を決定することができる。或いは、移動平均化処理の際に、マニュアルでデータ数ｎの値を可変設定できるようにしてもよい。その場合には、ＵＩ（ｕｓｅｒ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）としてデータ数ｎの値を可変設定するためのスクロールバーを表示装置１２に表示させるようにしてもよい。これにより、超音波信号の波形の変化を、より高感度に捉えることが可能となる。
【００５５】
尚、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する超音波信号の波形に移動平均化処理以外の平滑化処理を施すようにしてもよい。
【００５６】
このような加算平均化処理、フィルタ処理及び平滑化処理の少なくとも１つをノイズ除去処理として実行すれば、ＳＮＲを向上させることができる。特に、光フィルタ８としてのＡＷＧで増幅された超音波信号に対して少なくとも加算平均化処理及び移動平均化処理を実行すれば、超音波振動子２及び超音波センサ３が１０００ｍｍ以上離れた位置に配置された場合であっても、十分なＳＮＲでラム波の振幅の変動を検出できることが確認された。
【００５７】
波形解析部１１Ｄは、超音波信号のフーリエ変換又はウェーブレット変換等の周波数解析処理を行うことにより、複数の周波数帯域に対応する信号波形を取得する機能を有する。複数の周波数帯域に対応する信号波形を取得すれば、より単純な波形を対象として波形の変化を検出することが可能となる。また、特定の周波数帯域を対象として、波形の変化を検出することができる。従って、損傷の有無の検出感度を一層向上させることができる。
【００５８】
包絡線検波処理部１１Ｅは、超音波信号の包絡線検波処理を実行する機能を有する。包絡線検波を行えば、波形の解析精度を向上させることができる。
【００５９】
以上の各種信号処理は、要求される損傷の検出感度に応じて任意に選択して実行することができる。また、各種信号処理の順序は、原理的かつ実用的な範囲で任意に決定することができる。典型的な一例として、加算平均化処理、フィルタ処理、移動平均化処理、フーリエ変換又はウェーブレット変換等の周波数解析処理、包絡線検波処理の順に信号処理を実行することができる。
【００６０】
波形比較部１１Ｆは、検査領域Ｒに損傷が存在しない場合における波形として予め取得された基準となる波形と、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する波形とを比較することによって、検査領域Ｒに損傷が存在するか否かを判定する機能を有する。尚、基準となる波形と、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する波形を、それぞれ波形比較部１１Ｆが表示装置１２に表示させ、ユーザが目視で検査領域Ｒに損傷が存在するか否かを判定するようにしてもよい。
【００６１】
上述した信号処理を超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する超音波信号に対して実行する場合には、検査領域Ｒに損傷が存在しない場合における超音波信号の基準波形についても同様な信号処理を施しておくことが、損傷が存在する場合における波形の変化を高精度に検出する観点から好適である。
【００６２】
図５は、図１に示す損傷検出部４において比較対象となる超音波信号の波形の一例を示す図である。
【００６３】
図５（Ａ）、（Ｂ）において各縦軸は超音波センサ３によって検出された超音波信号の相対振幅（相対強度）を示し、各横軸は超音波Ｕの送信タイミングからの経過時間を示す。図５（Ａ）は、損傷がない検査領域Ｒを対象として超音波センサ３により検出された超音波Ｕを含む超音波信号の波形を示し、図５（Ｂ）は、損傷が存在する検査領域Ｒを対象として超音波センサ３により検出された超音波Ｕを含む超音波信号の波形を示す。図５（Ａ）、（Ｂ）において実線は、加算平均化処理及び移動平均化処理を行って得られる超音波信号を示し、一点鎖線は加算平均化処理及び移動平均化処理を行って得られる超音波信号の包絡線検波によって得られた超音波信号の包絡線を示す。尚、他の信号処理を行った場合には、それぞれの信号処理に応じた波形が得られる。
【００６４】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、検査領域Ｒを透過した超音波Ｕの波形は、検査領域Ｒにおける損傷の有無によって変化する。そこで、損傷がない状態における検査領域Ｒを対象として予め超音波信号の波形を取得しておくことができる。損傷がない検査領域Ｒに対応する第２の超音波の波形は、基準波形として記憶装置１３に記憶しておくことができる。
【００６５】
そうすると、損傷が生じた場合における超音波信号の波形の基準波形からの変化に基づいて、検査領域Ｒにおける損傷の有無を検出することが可能となる。損傷が生じた場合における超音波信号の波形の基準波形からの変化の程度は、相互相関係数や２乗誤差等の指標を用いて表すことができる。波形の比較は、包絡線を対象として行うことが精度上実用的である。
【００６６】
但し、超音波信号のうち超音波Ｕに対応する部分が、超音波信号の一部となる場合もある。そこで、超音波振動子２と超音波センサ３との間における距離、超音波Ｕの送信タイミング及び音速に基づいて超音波Ｕに対応する部分の時間範囲を特定し、特定した部分を抽出して波形の比較を行うようにしてもよい。これは、各種信号処理についても同様である。すなわち、超音波信号のうち受信された超音波Ｕに対応する部分を抽出し、抽出した部分に対して加算平均化処理等の信号処理を行うようにしてもよい。
【００６７】
損傷が生じた場合における超音波信号の波形の基準波形からの変化量を表す指標が求められると、指標に対する閾値処理によって損傷の有無を自動的に判定することができる。具体的には、波形の変化量が閾値以上となる場合又は閾値を超える場合には、検査領域Ｒに損傷が存在すると判定することができる。従って、このような演算機能を波形比較部１１Ｆに設けることによって波形比較部１１Ｆにおいて検査領域Ｒに存在する損傷を自動的に検出することができる。
【００６８】
異なる位置に配置された複数の超音波振動子２から順次超音波Ｕが送信される場合には、複数の超音波Ｕが単一又は複数の超音波センサ３で順次受信される。この場合には、複数の超音波信号に対して順次信号処理が実行される。そして、超音波センサ３で検出された各超音波Ｕに対応する超音波信号の波形と、基準となる波形との間における変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無が検出されることになる。
【００６９】
超音波Ｕの伝播経路が異なる場合には、通常、超音波信号の波形も変化する。従って、複数の位置から送信された超音波Ｕに対応する超音波信号の波形をそれぞれ基準波形と比較する場合には基準波形についても超音波Ｕが送信される位置ごとに求めておくことが精度向上の観点から適切である。つまり、超音波センサ３で検出された各超音波Ｕに対応する超音波信号の波形と、それぞれの基準となる波形との間における各変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無を検出することが適切である。
【００７０】
波形比較部１１Ｆにおいて比較される超音波信号の波形は、適用される信号処理に応じた波形となる。例えば、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する超音波信号の波形に対するフーリエ解析によって単一又は複数の周波数帯域に対応する波形が取得される場合であれば、取得された単一又は複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する単一又は複数の周波数帯域における基準となる波形との間における各変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無が検出される。また、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する超音波信号の波形に対して加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理が実行される場合であれば、加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理によって得られる波形と、加算平均化処理及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理によって得られる基準となる波形との間における変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無が検出される。
【００７１】
一対の超音波振動子２及び超音波センサ３のみが設置される場合には、超音波信号の波形の変化量に基づいて、超音波振動子２と超音波センサ３とを結ぶ直線上の範囲に損傷が存在するか否かを判定することができる。
【００７２】
これに対して、少なくとも１つの超音波センサ３で複数の超音波振動子２からの各超音波Ｕを検出する場合には、複数の超音波振動子２と少なくとも１つの超音波センサ３とを結ぶ複数の直線上の範囲に損傷が存在するか否かを判定することができる。従って、損傷が存在する単一又は複数の直線状の範囲を特定することができる。このため、損傷の有無のみならず、損傷の存在範囲を検出することができる。
【００７３】
そこで、少なくとも１つの超音波センサ３で複数の超音波振動子２からの各超音波Ｕを検出する場合には、波形比較部１１Ｆが超音波センサ３で検出された各超音波Ｕに対応する波形と、それぞれの基準となる波形との間における各変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無及び存在範囲の少なくとも一方を検出するようにしてもよい。
【００７４】
検査領域Ｒにおける損傷の有無及び存在範囲の少なくとも一方が検出されると、検査領域Ｒを絞って再度探傷検査を行うことが可能となる。例えば、一対の超音波振動子２及び超音波センサ３のみが設置される場合であれば、超音波振動子２と超音波センサ３との間における距離を短くして再検査を行うことができる。一方、少なくとも１つの超音波センサ３で複数の超音波振動子２からの各超音波Ｕを検出する場合であれば、間に損傷が存在すると判定された超音波振動子２と超音波センサ３との間における距離を短くして再検査を行うことができる。つまり、より狭い検査領域Ｒを設定して探傷検査を行うことができる。
【００７５】
検査領域Ｒに損傷が発見された場合や検査領域Ｒを絞って繰返し探傷検査を行うことによって損傷の存在範囲が十分に絞られた場合には、損傷の位置を検出することが可能な他の探傷方法によって探傷検査を行うことができる。例えば、検査領域Ｒから反射する超音波の反射波のピークを検出し、超音波の送信タイミングから反射波のピークの受信タイミングまでの経過時間と音速に基づいて損傷の位置を検出することができる。つまり、検査領域Ｒを透過する超音波Ｕを利用して損傷の有無及びおおまかな損傷の位置を把握し、損傷が検出された場合には、より精密な探傷法によって探傷検査を行うことができる。
【００７６】
従って、波形比較部１１Ｆに、検査領域Ｒから反射する超音波の反射波の波形に基づいて損傷の位置を検出する機能を設けてもよい。或いは、他の超音波探傷法によって損傷の位置或いはサイズ等を検出する機能を波形比較部１１Ｆに設けてもよい。
【００７７】
尚、周波数帯域が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下の比較的周波数が低い超音波を、損傷が存在する検査領域に送信すると、損傷部分で反射して生じる反射波の振幅が大きくなることが試験によって確認された。特に、周波数帯域が７５ｋＨｚ以上１２５ｋＨｚ以下である超音波を損傷が存在する検査領域に送信すると、ＳＮＲが良好な超音波反射波が損傷部分で反射することが確認された。このため、周波数帯域が７５ｋＨｚ以上１２５ｋＨｚ以下である超音波を損傷が存在する検査領域に送信すれば、実用的な精度で超音波反射波を検出することが可能となる。
【００７８】
図６は図１に示す制御系５の詳細構成例を示す図である。
【００７９】
制御系５は、入力装置１４、信号生成部１５及びアンプ（増幅器）１６を用いて構成することができる。信号生成部１５のうちデジタル信号を処理する部分は、プログラムを実行する処理回路によって構築することができる。従って、信号生成部１５のデジタル情報を処理する部分を信号処理回路１１と一体化してもよい。
【００８０】
信号生成部１５は、入力装置１４から入力された指示情報に従って電気信号として送信信号を生成する機能と、生成した送信信号を選択された超音波振動子２にアンプ１６を通じて印加する機能を有する。尚、送信信号の出力対象となる複数の超音波振動子２に自動的に順次送信信号を出力できるようにしてもよい。その場合には、送信信号の出力タイミングを自動的に設定するために信号生成部１５と信号処理回路１１との間で同期処理を実行するようにしてもよい。
【００８１】
アンプ１６は、超音波振動子２から十分な強度を有する超音波Ｕが送信されるように、超音波振動子２に印加される電圧を増幅する回路である。実際にアンプ１６で増幅された送信信号を超音波振動子２に印加することによって超音波振動子２から１０００ｍｍ以上離れた位置に配置された超音波センサ３を用いて十分なＳＮＲで超音波Ｕを受信できることが確認された。
【００８２】
以上のような構成を有する超音波探傷システム１は、検査対象品Ｗの製造時における検査用に使用する他、部品として検査対象品Ｗに常時取付けるようにしてもよい。その場合、検査対象品Ｗに損傷が生じたか否かを定期的に検査することが可能となる。
【００８３】
特に、検査対象品Ｗが翼構造や胴体等の航空機構造体である場合には、超音波探傷システム１を部品として航空機構造体に取付けることができる。その場合、航空機のフライト後における点検や整備の際に、超音波探傷システム１を用いて簡易に航空機構造体における損傷の有無を検査することが可能となる。しかも、超音波振動子２及び超音波センサ３の間隔を広くすることができるため、サイズが大きい航空機構造体であっても超音波振動子２及び超音波センサ３の数を少なくすることができる。その結果、航空機の重量の極端な増加を招くことなく超音波探傷システム１を航空機構造体に取付けることができる。
【００８４】
（動作及び作用）
次に超音波探傷システム１を用いた検査対象品Ｗの超音波探傷方法について説明する。
【００８５】
図７は、図１に示す超音波探傷システム１により被検査対象の検査領域における探傷検査を行う場合の流れの一例を示すフローチャートである。
【００８６】
まず、ステップＳ１において、損傷が存在しない検査対象品Ｗの検査領域Ｒに向けて超音波Ｕを送信し、検査領域Ｒを透過した超音波Ｕを受信することが可能な位置に超音波振動子２及び超音波センサ３が配置される。超音波振動子２と超音波センサ３との間における距離は、３００ｍｍ超とすることができる。特に、超音波Ｕの周波数や特性等の条件及び超音波信号の信号処理の条件を好適に設定することにより、１０００ｍｍ以上離れた位置に超音波振動子２と超音波センサ３とを配置することも可能である。
【００８７】
検査領域Ｒのサイズが大きい場合には、検査領域Ｒを囲むように複数の超音波振動子２及び複数の超音波センサ３を配置することが好適である。すなわち、検査領域Ｒを通る超音波Ｕの経路が十分に密となるように、複数の超音波振動子２及び複数の超音波センサ３を配置することが重要である。加えて、２組の超音波振動子２及び超音波センサ３を互いに逆向きに配置することも超音波Ｕの経路を密にする観点から効果的である。
【００８８】
また、検査対象品Ｗの構造に応じた適切な位置に超音波振動子２及び超音波センサ３を配置することが望ましい。例えば、パネルにストリンガーを設けた航空機の翼構造体や胴体のように、検査対象品Ｗが板状の部品Ｗ１に少なくとも１つの長尺構造物Ｗ２を設けた構造を有する場合であれば、図１及び図２に例示されるように、少なくとも１つの長尺構造物Ｗ２の両側にそれぞれ少なくとも一対の超音波振動子２及び超音波センサ３を配置することが好適である。このように超音波振動子２及び超音波センサ３を配置すれば、長尺構造物Ｗ２を透過する超音波Ｕの強度が不十分となった場合であっても長尺構造物Ｗ２で仕切られた各エリアにおいて十分な強度を有する超音波Ｕを各超音波センサ３により検出できるためである。
【００８９】
更に、検査対象品Ｗが板状の部品Ｗ１に複数の長尺構造物Ｗ２を設けた構造を有する場合であれば、図１及び図２に例示されるように、隣接する少なくとも２つの長尺構造物Ｗ２の間に少なくとも一対の超音波振動子２及び超音波センサ３を配置することが好適である。このように超音波振動子２及び超音波センサ３を配置すれば、隣接する長尺構造物Ｗ２の間において超音波Ｕが反射しながら超音波振動子２から超音波センサ３に向かって伝播し、超音波Ｕの減衰量を低減できるためである。
【００９０】
また、超音波センサ３としてＦＢＧセンサ３ＡやＰＳ−ＦＢＧセンサ等の光ファイバセンサを用いることが、超音波Ｕを良好なＳＮＲで高感度に検出する観点から好適である。そこで、ここでは超音波センサ３がＦＢＧセンサ３Ａである場合について説明する。
【００９１】
次に、ステップＳ２において、損傷がない検査領域Ｒを透過した超音波Ｕに対応する超音波信号の基準波形が取得される。そのために、超音波振動子２から損傷のない検査対象品Ｗの検査領域Ｒに向けて周波数が５０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下、より望ましくは周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下の超音波Ｕが送信される。また、超音波Ｕは、ラム波であること及び扇状に進行する指向性のある超音波Ｕであることが、広い検査領域Ｒを伝播した超音波Ｕを良好なＳＮＲで検出する観点から好適な条件である。
【００９２】
また、複数の超音波振動子２が設置される場合には、各超音波振動子２から順次超音波Ｕが送信される。そして、検査領域Ｒを通過した超音波Ｕは、超音波センサ３によって検出される。複数の超音波センサ３が設置される場合には、単一又は複数の超音波振動子２から送信された超音波Ｕが、検出可能な各超音波センサ３において検出される。
【００９３】
単一又は複数の超音波センサ３において検出された超音波Ｕは、損傷検出部４に出力される。損傷検出部４では、必要な信号処理を伴って超音波Ｕに対応する超音波信号の波形が検出される。超音波信号の波形の検出に先立って実行されることが好適な信号処理としては、光信号の波長の振動を強度の振動に変換する光信号のフィルタ処理、加算平均化処理、ノイズ低減化のためのフィルタ処理、移動平均化処理、フーリエ変換等の波形解析処理及び包絡線検波処理が挙げられる。
【００９４】
検出された超音波信号の波形は基準波形として損傷検出部４の記憶装置１３に記録される。従って、波形が異なる複数の超音波信号が検出された場合には、それぞれ基準波形として損傷検出部４の記憶装置１３に記録される。超音波Ｕの伝播経路ごとの基準波形が記憶装置１３に記録されると検査対象品Ｗの探傷検査を開始することが可能となる。
【００９５】
例えば、検査対象品Ｗの量産時における探傷検査を行う場合であれば、多数の検査対象品Ｗを対象として順次探傷検査を開始することができる。一方、超音波探傷システム１を部品又は一時的なアタッチメントとして検査対象品Ｗに取付ける場合であれば、定期検査時等の所望の時期に探傷検査を開始することができる。
【００９６】
探傷検査を行う場合には、ステップＳ３において、基準波形を取得するための条件と同様な条件で、少なくとも１つの超音波振動子２で超音波Ｕが検査対象品Ｗの検査領域Ｒに向けて送信される。複数の超音波振動子２が検査対象品Ｗに設置される場合には、各超音波振動子２から順次超音波Ｕが送信される。
【００９７】
そうすると、ステップＳ４において、検査領域Ｒを通過した超音波Ｕを、超音波振動子２から３００ｍｍよりも長い距離だけ離れた位置に配置された少なくとも１つの超音波センサ３で検出することができる。複数の超音波振動子２で異なる位置から超音波Ｕが検査領域Ｒに向けて送信された場合には、検査領域Ｒを通過した、複数の超音波振動子２からの各超音波Ｕが、少なくとも１つの超音波センサ３で検出される。超音波センサ３として用いられるＦＢＧセンサ３Ａで検出された超音波Ｕは、超音波Ｕの強度の振動に対応して波長が振動する光信号として損傷検出部４に出力される。
【００９８】
次に、ステップＳ５において、ＦＢＧセンサ３Ａから出力された光信号が光サーキュレータ７を経由して光フィルタ８に入射する。そして、波長が振動する光信号が、より大きな振幅で強度が振動する光信号に変換される。これにより、実質的に光信号が増幅される。光フィルタ８から出力された光信号は、光電変換器９において電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器１０においてデジタル化される。デジタル化された電気信号は、超音波検出信号として信号処理回路１１に出力される。
【００９９】
次に、ステップＳ６において、加算平均化処理部１１Ａにより超音波検出信号の加算平均化処理が実行される。続いてステップＳ７において、フィルタ処理部１１ＢによりＬＰＦやＨＰＦを用いた超音波検出信号のフィルタ処理が実行される。続いてステップＳ８において、移動平均化処理部１１Ｃにより超音波検出信号のノイズを低減させるための平滑化処理として移動平均化処理が実行される。続いてステップＳ９において、波形解析部１１Ｄにより超音波検出信号のフーリエ変換処理等の波形解析処理が実行される。続いてステップＳ１０において、包絡線検波処理部１１Ｅにより超音波検出信号の包絡線検波処理が実行される。
【０１００】
光信号及び電気信号に対するこれらの信号処理によって極めて良好なＳＮＲで高感度に基準波形からの変化を検出することが可能な超音波信号の波形を得ることができる。尚、探傷検査に要求される精度に応じて一部の信号処理を省略したり、逆に他の信号処理を追加してもよい。また、可能な範囲で信号処理の順序を変えてもよい。特に、電気信号に対する信号処理としては、フーリエ解析及び移動平均を求めることによるノイズ低減処理の少なくとも一方を行うことが高感度に波形の変化を検出する観点から重要である。
【０１０１】
次に、ステップＳ１１において、波形比較部１１Ｆにより、信号処理後における超音波信号の波形と、基準波形との比較が行われる。そして、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する超音波信号の波形と、基準となる波形との間における変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無が検出される。すなわち、超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する超音波信号の波形と、基準となる波形との間における変化量が所定の基準値を超える場合又は所定の基準値以上となる場合には、超音波Ｕの伝播経路に損傷が存在すると判定される。
【０１０２】
複数の超音波振動子２から送信された超音波Ｕに対応する複数の超音波信号の波形が得られている場合には、複数の超音波信号の波形がそれぞれ対応する基準波形と比較される。このため、複数の超音波Ｕの伝播経路にそれぞれ損傷が存在するか否かを判定することができる。その結果、損傷が存在する超音波Ｕの伝播経路と、損傷が存在しない超音波Ｕの伝播経路とを峻別することによって、損傷の存在範囲を検出することができる。
【０１０３】
超音波センサ３で検出された超音波Ｕの波形に対するフーリエ解析によって複数の周波数帯域に対応する波形が取得されている場合には、取得した複数の周波数帯域に対応する波形と、対応する複数の周波数帯域における基準となる波形との間における各変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無をより高精度に検出することができる。また、超音波センサ３で検出された超音波Ｕの波形に対するフーリエ解析によって特定の周波数帯域に対応する単一の波形が取得されている場合には、取得した単一の波形と、対応する基準となる波形との間における変化量に基づいて検査領域Ｒにおける損傷の有無をより高精度に検出することができる。
【０１０４】
次に、ステップＳ１２において、検査領域Ｒにおいて損傷が検出されたか否かが判定される。この判定は、ユーザが行うようにしてもよい。検査領域Ｒに損傷が検出されなかった場合には、適切な時期に再びステップＳ３からの同様な探傷検査を行うことができる。例えば、複数の検査対象品Ｗを順次検査する場合であれば、次の検査対象品Ｗを対象として探傷検査を再開することができる。一方、超音波探傷システム１を部品又は一時的なアタッチメントとして検査対象品Ｗに取付ける場合であれば、次回の定期検査時等の所望の時期に探傷検査を再開することができる。
【０１０５】
検査領域Ｒにおいて損傷が検出された場合には、ステップＳ１３において、検出された損傷を含み、かつ検査領域Ｒよりも狭い新たな検査領域が設定される。新たな検査領域を対象とする探傷検査は、超音波探傷システム１を用いて実施しても良いし、他の超音波探傷システム又は超音波探傷システム以外の探傷システムを用いて実施してもよい。
【０１０６】
同一の超音波探傷システム１を用いて複数の検査対象品Ｗを順次検査する場合のように、超音波振動子２及び超音波センサ３を検査対象品Ｗから容易に取り外せる場合には、超音波振動子２及び超音波センサ３の位置を変更することによって新たな検査領域を設定することができる。一方、他の探傷システムを用いて新たな検査領域の探傷検査を行う場合には、新たな検査領域を対象として損傷のセンシングを行うことができるように、必要なセンサが配置される。
【０１０７】
次に、ステップＳ１４において、新たな検査領域を対象として損傷の非破壊検査が行われる。同一の超音波探傷システム１を用いて新たな検査領域を対象とする損傷の非破壊検査を行う場合には、新たな検査領域を透過する超音波Ｕの波形の基準波形からの変化に基づいて損傷の有無を検出する上述したような検査としてもよい。その場合、超音波探傷検査を繰返すことによって徐々に検査領域を絞っていくことができる。
【０１０８】
一方、他の任意の非破壊検査を行うこともできる。例えば、損傷の検査領域が１００ｍｍ以下となった場合のように損傷の検査領域が十分に絞られた場合には、新たな検査領域に対する損傷の非破壊検査として、新たな検査領域からの超音波の反射波に基づいて損傷の位置を検出する検査を実行するようにしてもよい。すなわち、超音波の送信タイミング、新たな検査領域において反射する反射波のピークの到達時刻及び音速に基づいて損傷の位置を検出することができる。
【０１０９】
以上のような超音波探傷システム１及び超音波探傷方法は、ＳＮＲ向上及び高感度化の観点からより効果的な条件で超音波Ｕを検査領域Ｒに送信し、かつ超音波センサ３で検出された超音波Ｕに対応する光信号及び電気信号に対して効果的な信号処理を施すことによってメートル級の検査領域Ｒであっても探傷の有無を検出できるようにしたものである。
【０１１０】
（効果）
このため、超音波探傷システム１及び超音波探傷方法によれば、少ない数の超音波センサ３を用いて従来よりも広い検査領域Ｒを対象として高精度に損傷の有無を検知することができる。換言すれば、広い検査領域Ｒを対象として損傷の有無を検査する場合において、超音波振動子２及び超音波センサ３の数が極端に増加することを回避できる。
【０１１１】
従来は、損傷部位で反射する超音波の反射波を検出することによって損傷の位置やサイズを高精度に検出する方法が行われていた。しかしながら、損傷の位置やサイズを高精度に検出するためには、損傷部位で反射する超音波の反射波を検出することが必要となる。この場合、超音波の進行方向に存在し、かつ近距離に存在する損傷しか検出することができない。つまり、損傷の位置やサイズを高精度に検出しようとすると、広範囲における損傷の検出が困難となる。
【０１１２】
これに対して、超音波探傷システム１及び超音波探傷方法は、損傷の位置やサイズを高精度に検出するものではなく、検査領域Ｒに損傷が存在するか否かを簡易に検出するものである。このため、非常に広範囲の探傷検査を行うことが可能である。しかも、損傷の位置やサイズを検出するための精密な検査を、損傷が発見された場合に限定して行うことができる。その結果、損傷の位置やサイズを検出するための複雑な超音波探傷システムを常時使用することなく検査対象品Ｗの探傷検査を行うことができる。従って、検査対象品Ｗの検査全体に要する時間、労力及びコストを低減させることができる。
【０１１３】
また、超音波探傷システム１を航空機構造体の部品として取付ければ、航空機の定期点検時において、超音波探傷システム１が取付けられた航空機構造体に損傷が発生しているか否かを容易に診断することができる。しかも、超音波振動子２及び超音波センサ３の数の極端な増加を回避できるため、航空機の重量の極端な増加についても回避できる。
【０１１４】
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
【符号の説明】
【０１１５】
１  超音波探傷システム
２  超音波振動子
３  超音波センサ
３Ａ  ＦＢＧセンサ
４  損傷検出部
５  制御系
６  光源
７  光サーキュレータ
８  光フィルタ
９  光電変換器
１０  Ａ／Ｄ変換器
１１  信号処理回路
１１Ａ  加算平均化処理
１１Ｂ  フィルタ処理部
１１Ｃ  移動平均化処理部
１１Ｄ  波形解析部
１１Ｅ  包絡線検波処理
１１Ｆ  波形比較部
１２  表示装置
１３  記憶装置
Ｗ  検査対象品
Ｗ１  板状の部品
Ｗ２  長尺構造物
Ｒ  検査領域
Ｕ  超音波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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