(57)【要約】  構造体（１５）内に存在し得る構造欠陥を非破壊検査するための導波サーモグラフィに基づいた方法及びシステム（１０）。例えば、こうしたシステム及び方法は、音波又は超音波エネルギーを選択的に伝えて、固定されたトランスデューサ位置（１２、１４、１６）から構造体全体にわたる集束及び／又はビームステアリングを提供する性能を与えることができる。更に、こうしたシステム及び方法は、特定の欠陥形状及び／又は欠陥位置の熱応答（図５及び図７）を増強するように一意的に微調整可能な励起特性（図１１及び図１２）を有する音波又は超音波エネルギーを選択的に印加する性能を与えることができる。
2015525359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体を検査する方法であって、
構造体の少なくとも一つの領域に、前記構造体の前記少なくとも一つの領域に位置する構造欠陥を示す熱応答を生じさせるのに十分なエネルギーを選択的に集束させるように導波音波又は超音波を送信するステップと、
前記構造欠陥を示す熱応答を感知するステップとを備えた方法。
【請求項２】
前記導波音波又は超音波を発生させるために少なくとも一つの送信素子を有する少なくとも一つの送信トランスデューサに印加される少なくとも一つの信号の少なくとも一つのパラメータを制御するステップを更に備え、前記少なくとも一つのパラメータが、位相遅延、周波数、並びに、位相遅延及び周波数の組み合わせから成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記構造体が、異なる複数の振動耐性を有する多部品構造体を備え、前記構造体の前記少なくとも一つの領域以外の領域に伝えられる音波又は超音波エネルギーが、前記構造体の他の領域の振動耐性よりも低くなるように前記導波音波又は超音波を制御するステップを更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記構造体の前記少なくとも一つの領域において予測される構造欠陥の形状の検出を増強させる励起特性を有するエネルギーを発生させる第一の導波励起を発生させるステップを更に備えた請求項２に記載の方法。
【請求項５】
異なる励起特性を有する追加の音波又は超音波エネルギーを前記構造体の前記少なくとも一つの領域に印加する追加の導波励起を発生させるステップを更に備えた請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記追加のエネルギーが、前記第一の導波励起で発生させたエネルギーが印加されるのと同じ前記構造体の領域に離散的に印加される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記追加のエネルギーが、前記第一の導波励起で発生させたエネルギーで前記構造体の同じ領域に同時に印加される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記第一の導波励起の励起特性が、前記構造体の前記少なくとも一つの領域における構造欠陥の両縁を圧縮するように構成され、前記追加の導波励起の励起特性が、前記両縁をせん断するように構成される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記導波音波又は超音波を発生させるための前記少なくとも一つの信号が、パルス流を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱応答の感知が、前記パルス流の周波数に対して同期される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記熱応答の感知が、前記導波音波又は超音波に応答した前記構造体の前記少なくとも一つの領域の予測励起時間に対して同期される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
構造体を検査する方法であって、
前記構造体に位置する構造欠陥に当たると熱応答を生じさせるのに十分なエネルギーを前記構造体全体にわたって伝えるように導波音波又は超音波を選択的にステアリングするステップと、
前記構造欠陥を示す熱応答を感知するステップとを備えた方法。
【請求項１３】
前記導波音波又は超音波を発生させるために少なくとも一つの送信素子を有する少なくとも一つの送信トランスデューサに少なくとも一つの信号を印加するステップを更に備え、前記少なくとも一つの信号がパルス流を備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱応答の感知が、前記パルス流の周波数に対して同期される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも一つの送信トランスデューサに印加される前記少なくとも一つの信号の少なくとも一つのパラメータを制御するステップを更に備え、前記少なくとも一つのパラメータが、位相遅延、周波数、並びに、位相遅延及び周波数の組み合わせから成る群から選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記導波音波又は超音波に応答した前記構造体全体にわたる予測励起プロファイルに基づいて、前記熱応答の感知を制御するステップを更に備えた請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱応答を感知するステップが、前記構造体全体にわたって前記予測励起プロファイルを動的に追跡するように少なくとも一つの熱イメージングセンサを制御するステップを備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第一の形状を有する構造欠陥の検出を増強する励起特性を備えたエネルギーを発生させる第一の導波励起を発生させるステップを更に備えた請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第一の形状とは異なる追加の形状を有する構造欠陥の検出を増強する追加の励起特性を有する追加の音波又は超音波エネルギーを発生させる追加の導波励起を発生させるステップを更に備え、前記追加のエネルギーが、前記第一の導波励起で発生させたエネルギーが印加される前記構造体の前記少なくとも一つの領域に同時に又は離散的に印加される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記構造体が、複数の異なる振動耐性を有する多部品構造体であり、前記構造体の複数の領域に伝えられるエネルギーが前記構造体の複数の領域それぞれの振動耐性よりも低くなるように前記導波音波又は超音波を制御するステップを更に備えた請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
構造体を検査するシステムであって、
前記構造体に位置する構造欠陥に当たると熱応答を生じさせるエネルギーを前記構造体全体にわたって伝えるように選択的にステアリング可能な導波音波又は超音波を送信する少なくとも一つの送信素子を有する少なくとも一つの送信トランスデューサと、
前記構造欠陥を示す熱応答を感知するように配置される少なくとも一つの熱イメージングセンサと、
前記導波音波又は超音波に応答した前記構造体全体にわたる予測励起プロファイルに基づいて、前記熱イメージングセンサによる熱応答の感知を制御する熱イメージング制御装置とを備えたシステム。
【請求項２２】
前記少なくとも一つの熱イメージングセンサが、前記少なくとも一つの熱イメージングセンサの感知光学系が前記導波音波又は超音波の予測励起プロファイルを前記構造体全体にわたって動的に追跡するように、前記熱イメージング制御装置に応答するスキャナモジュールを備える、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記導波音波又は超音波を発生させるために前記少なくとも一つの送信トランスデューサに印加される少なくとも一つの信号の少なくとも一つのパラメータを制御する制御装置を更に備え、前記少なくとも一つの信号がパルス流を備える、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも一つのパラメータが、位相遅延、周波数、並びに、位相遅延及び周波数の組み合わせから成る群から選択される、請求項２３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１２年６月２１日出願の米国仮出願第６１／６６２４８７号の優先権を主張し、その内容は参照として本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は一般的に構造体の非破壊検査に係り、特に構造体内に位置し得る構造欠陥を検査するための導波サーモグラフィ法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
サーモグラフィイメージングは、一般的に、構造異常を検出するための有用な方法であることが立証されている。例えば、比較的高い超音波出力を用いて欠陥を有する構造体を励起させる場合、摩擦熱が欠陥において発生し得る。そして、欠陥が、熱赤外線カメラで検出可能となる。しかしながら、構造体の一部であり得る構造的に弱い領域は、こうした高い超音波出力を受けると脆弱で損傷し易く、検査されている構造体の破壊に繋がり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７９７４７９１号明細書
【特許文献２】米国特許第８２１７５５４号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊ．Ｌ．Ｒｏｓｅ著、“Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｗａｖｅｓ  ｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｍｅｄｉａ”、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ、ニューヨーク州ニューヨーク、１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、構造体を検査するためのシステム及び方法に関して更なる改善が必要とされている。
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実際の態様に使用可能な導波サーモグラフィシステムの非限定的な実施形態の概略図である。
【図２】本発明の態様に従って検査される構造体にわたって超音波導波を送信するのに使用可能な多素子送信トランスデューサの非限定的な一実施形態の等角図である。
【図３】多素子送信トランスデューサの非限定的な他の実施形態の等角図である。
【図４】超音波導波を発生させるために送信トランスデューサに印加される励起信号に対する位相遅延を行うための非限定的な実施形態の概略図である。
【図５】多素子送信トランスデューサによって発生させた導波の結果である位相遅延の関数としての波長領域におけるスペクトル応答の非限定的な例のプロットである。
【図６】多素子送信トランスデューサによって発生させた導波の結果であるステアリング可能導波の非限定的な例のプロットである。
【図７】図７及び図８は、構造体の開口近傍に位置する二つの構造欠陥を有する構造体における熱応答の比較例を示し、図７に示される応答は、適切な励起周波数で起こされていて、両方の構造欠陥を示し、一方、図８に示される応答は、これら構造欠陥のうち一方を見落としている。
【図８】図７及び図８は、構造体の開口近傍に位置する二つの構造欠陥を有する構造体における熱応答の比較例を示し、図７に示される応答は、適切な励起周波数で起こされていて、両方の構造欠陥を示し、一方、図８に示される応答は、これら構造欠陥のうち一方を見落としている。
【図９】所定の構造体についての位相速度（図９）と導波モードと周波数との間の関係を示す分散曲線の非限定的な例を示す。
【図１０】所定の構造体についての群速度（図１０）と導波モードと周波数との間の関係を示す分散曲線の非限定的な例を示す。
【図１１】異なる波構造を有する導波の非限定的な例を示す。
【図１２】異なる波構造を有する導波の非限定的な例を示す。
【図１３】多数の離散化ノードを用いた厚さ方向における半無限プレート構造体の離散化の概念の非限定的な例を示す。
【図１４】本発明の概念的な態様について解析されるバー構造体の非限定的な例を示す。
【図１５】図１４のバー構造体についての分散曲線を示す。
【図１６】図１４のバー構造体の固有共鳴に関連する導波モードの非限定的な例の相対的振幅のプロットである。
【図１７】構造体に印加される導波に応答して検査される構造体全体にわたって形成され得る励起プロファイルを動的に実時間で追跡することを可能にするスキャナモジュールを含む熱イメージングセンサの非限定的な実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明者は、既存の音響／超音波サーモグラフィシステムが、一般的にそうしたシステムが構造欠陥を示す熱応答を誘起することができる効率及び有効性に関して制限されていることに革新的に思い至った。更に、本発明者は、比較的低い励起出力で構造欠陥における熱応答を効率的に生じさせるように選択的に最適化可能なシステム及び方法の必要性、例えば、検査されている構造体に存在し得る脆弱な領域を保護するように励起エネルギーを選択的に制御しながら高い欠陥検出感度を実現可能なシステム及び方法に思い至った。
【００１０】
本発明の一以上の実施形態に従って、構造体に存在し得る構造欠陥を非破壊検査するための導波サーモグラフィに基づいた方法及びシステムが本願で説明される。例えば、このようなシステムは、音波又は超音波エネルギーを選択的に伝えて、固定されたトランスデューサ位置から構造体全体にわたる集束及び／又はビームステアリングを提供する性能を有し得る。更に、このようなシステムは、特定の欠陥形状及び／又は欠陥位置の熱応答を増強するように一意的に微調整可能な励起特性を有する音響又は超音波エネルギーを選択的に印加する性能を有し得る。以下の詳細な説明では、このような実施形態の完全な理解を提供するために多様な具体的詳細が与えられる。しかしながら、本発明の実施形態がこのような具体的な詳細がなくても実施可能であり、本発明が説明される実施形態に限定されるものではなく、本発明が多様な代替実施形態において実施可能であることを当業者は理解されたい。また、不必要で煩わしい説明を避けるため、当業者に周知の方法、手順、構成要素については、詳細に説明しない場合もある。
【００１１】
更に、本発明の実施形態を理解するのに便利なように、多様な工程が複数の個別ステップで行われるものとして説明されることもある。しかしながら、特に断らない限り、説明の順序は、示される順序で工程を行う必要があると解釈されたり、順序に依存したものであると解釈されたりするものではない。更に、“一実施形態では”との表現は、必ずしも同一の実施形態を称するものではない（そのような場合もあるが）。最後に、“備える”、“含む”、“有する”等の表現は、本願において、特に断らない限り、同義である。
【００１２】
本発明者は、多様な構造体（非限定的な一応用では、ブレード、翼等の燃焼タービンエンジンの部品を備え得る）に対するサーモグラフィ検査を行うための音波又は超音波導波の革新的な使用を提案する。超音波導波は、導波路として効果的に機能する境界構造を伝播する多重モード構造応答を有する。従来のバルク波と比較して、超音波導波によって提供される多用途性は事実上制限がなく、バルク波の伝播に基づいた検査方法に対する類推は当てはまらない。例えば、本発明の非限定的な態様において、本発明者は、単一送信のトランスデューサの位置からのバルク波では実現不可能な、構造体全体にわたる所望の領域に音波又は超音波エネルギーを伝えるためのビームステアリング、集束及び／又は導波モード選択を提供するように、超音波導波を選択的に制御できることを見出した。また、本発明者は、特許文献１の第３欄、第１１行で述べられているような、検査されている構造体全体にわたる励起装置の多数の再配置を含む面倒でコストのかかる検査手順をもたらし得るような超音波励起装置の所謂結合点に、導波が制限されないことを見出した。
【００１３】
本発明の態様は、構造体全体にわたって音響的な音波又は超音波エネルギーを選択的に伝えるように導波を用い、これは、構造体内に位置し得る構造欠陥に衝突すると熱応答（例えば、加熱）を生じさせることができる。以下で詳細に説明するように、音波又は超音波エネルギーによって誘起される熱応答を、熱イメージングシステムを用いて検出することができる。
【００１４】
図１は、本発明の態様を実施するのに使用可能な導波サーモグラフィシステム１０の概略図である。非限定的な一実施形態では、システム１０は、一つ以上の送信トランスデューサを含み、送信トランスデューサは、構造体を介して超音波導波を送信するように構造体１５（検査対象）に結合される。送信トランスデューサは、複数の単一素子送信トランスデューサ１２の分布型アレーとして配置され得る。又は、送信トランスデューサは、多素子送信トランスデューサを備え得て、例えば、環状アレイトランスデューサ１４が、複数の個別作動の送信素子１７を備え（図２に見て取れるように）、又は、環状アレイトランスデューサ１６が複数の個別作動の送信素子１９を備える（図３に見て取れるように）。送信トランスデューサは、圧電積層体トランスデューサ、圧電セラミックバー又はディスク、磁歪トランスデューサ、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、制御機械的衝撃デバイス、圧電複合材等を含み得るが、これらに限定されるものではない。本発明の態様が、送信トランスデューサの具体的な構成や、構造体１５の具体的な形状に限定されるものではないことは理解されたい。従って、図面に示されるような送信トランスデューサの構成や、構造体１５の形状は、例示的なものであって、限定的なものではない。
【００１５】
システム１０は、信号調整器２０を更に含み、非限定的な一実施形態では、信号調整器２０は、一つ以上の増幅回路２２によって適切な信号増幅を提供し、信号発生器２５（例えば、多重チャネル信号発生器）から送信トランスデューサ１２、１４、１６にそれぞれ印加される電気信号に対する一つ以上のインピーダンス整合ネットワーク２４によってインピーダンス整合を提供するように構成され得る。システム制御装置２８は、導波制御装置３０（ＧＷ制御装置（ｇｕｉｄｅｄ  ｗａｖｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）と称する）を含み得て、ＧＷ制御装置は、信号発生器１８を制御するように構成され得て、例えば、構造体１５を介して送信される超音波導波を発生させるために一つ以上の送信トランスデューサに印加可能な一つ以上の信号の一つ以上の信号パラメータを制御するように構成され得る。一つ以上の送信トランスデューサに印加される信号についての信号特性を決定するために制御可能な信号パラメータの非限定的な例として、位相遅延、周波数、位相遅延及び周波数の組み合わせが挙げられ、位相遅延掃引（スイープ）、周波数掃引、これら両方が含まれ得る。システム制御装置２８は、更に、欠陥を示す熱応答を感知するように構成された熱イメージングセンサ３３（例えば、赤外線（ＩＲ）カメラ）を制御する熱イメージング制御装置３２を備えた熱イメージングシステムを含み得る。
【００１６】
サーモグラフィで効果的に構造欠陥を検出するためには、所定の構造欠陥の幾何学的形状及び／又は空間的向きに対して適切な特定の振動変数（例えば、面内変位、せん断圧力等）の大きさを、十分な熱応答（例えば、加熱）が誘起されることを保証するために、所定の欠陥のすぐ近傍において十分大きくなるように設定することが望ましいことを理解されたい。
【００１７】
当業者には理解されるように、プレート状又は他の導波路状の構造体の超音波振動中に、発生した振動場の大きさが、構造体全体にわたって変動し得る。例えば、このような変動は、構造体の厚さにわたって、また、構造体の他の寸法に対する分布の関数として生じ得る。従って、振動場の変動は、比較的高い応力、変位等を有する領域と、事実上応力、変位等のない領域とを生じさせ得る。構造体の所定の領域に位置する構造欠陥を適切に熱的に励起するため、その領域に伝達される振動場に関連する振動変数が、十分大きな振幅を有することが望ましい。上述のように、関連振動変数は、構造欠陥の幾何学的形状及び／又は欠陥の空間的向きに依存して変動し得る。
【００１８】
非限定的な一実施形態では、位相遅延及び／又は周波数の制御（例えば、位相遅延及び／又は周波数掃引）が、構造体１５に結合された一つ以上の送信トランスデューサに印加される信号（例えば、連続信号）に対して行われ得る。送信トランスデューサに対して行われるこの位相調節（ｐｈａｓｉｎｇ，整相）は、このような構造体全体にわたって低い又は高い音波又は超音波エネルギーの位置に対する空間選択性を増強するのに寄与し得る（例えば、構造体の所定の領域に伝達される音波又は超音波エネルギーの強度を増強するための節の位置、及び構造体の他の領域に伝達される音波又は超音波エネルギーの強度を減衰させるための腹の位置に対する空間選択性を増強する）。非限定的な一実施形態では、周波数掃引と共に位相調節を行い、発生した振動場の構造体全体にわたる強度変動に対して最大の空間選択性を提供することができる。信号の位相調節及び周波数掃引の組み合わせが、多次元位相‐周波数空間の拡張を効果的に可能にする。これによって、単一周波数での動作や周波数掃引のみの実施では不可能であったであろう比較的広い範囲の振動状態（例えば、検査される構造体全体にわたって選択的に形成され得る）を形成することができる。こうした振動状態は、変位波構造、応力波構造、振動モード形状等の構造体の厚さ全体にわたって異なる振動場の選択性に関する顕著な多用途性を可能にする。このことが、構造欠陥の幾何学的形状、深さ、他の欠陥特性に関わらず、広範な構造欠陥を検出する可能性の増大に寄与する。
【００１９】
図４は、検査される構造体４４に分布する複数の単一素子送信トランスデューサ４２にそれぞれ印加される信号４０に対する位相遅延を行うための非限定的な一実施形態の概略図である。本実施形態では、連続波信号４０がそれぞれ送信トランスデューサ４２に印加されて、各送信トランスデューサ４２は異なる位相遅延を有する。本発明の態様を特定の動作理論に限定するものではないが、この場合の移送調節の効果は、その表面にわたる負荷分布を変化させることによって、構造体の多様な固有モードを励起することであると考えられる。この位相調節方法に関する一般的な背景情報が必要であれば、超音波除水のための効果的な構造カバレッジを得るための位相調節の例示的な応用が開示されていて参照として本願に組み込まれる特許文献２を参照されたい。
【００２０】
位相調節は、一つ以上の多素子アクチュエータを用いて達成可能であり、例えば、図２及び図３に示されるような環状アレイトランスデューサや他の多素子アクチュエータが含まれる。本発明の態様を特定の動作原理に限定するものではないが、この場合の位相調節の効果は、密接な間隔のアクチュエータ素子の位相特性及び／又は幾何学的形状に基づいて異なる導波モードを選択的に励起する性能であると考えられる。例えば、発生した導波は、このような導波に関連する超音波振動モードの励起を生じさせる。信号の位相調節及び周波数の組み合わせが、分散曲線の大部分を効果的にカバーすることを可能にすると考えられる。例えば、図５を参照すると、移送遅延の関数として、波長領域におけるスペクトル応答の非限定的な例が示されていて、これは、多素子環状アレイトランスデューサによって発生させた導波に起因するものである。これが、厚さに対する、また、構造体全体にわたる励起場分布に対する顕著な選択性を提供することができる。
【００２１】
非限定的な他の実施形態では、連続信号の代わりに、個別のパルス流を、検査される構造体に結合した一つ以上の単一素子又は多素子送信トランスデューサに印加し得る。本実施形態では、過渡性導波（非定常導波）を構造体全体にわたって伝播させて、定常振動が生じることを防ぐ。これは、比較的狭い高出力励起パルスを印加することによって達成可能である。同様の効果（例えば、定常振動が無いこと）を、構造体の境界との相互作用が構造共鳴を誘起するのに不十分であり得る大型及び／又は減衰性の構造体を含む応用においても達成可能であると想定される。所定の構造欠陥の近傍における熱エネルギーの蓄積を生じさせて、熱イメージングシステムが構造欠陥を検出することを可能にするのに十分な繰り返し周波数で、励起パルスを繰り返すことができる。当業者には理解されるように、適切なイメージング法を用いて、信号対ノイズ比を向上させて、比較的弱い熱勾配を検出することができる。
【００２２】
過渡性導波サーモグラフィは、従来の定常状態サーモグラフィに対する多数の利点を提供すると考えられ、ビームステアリング、集束、導波モード選択が挙げられるが、これらに限定されるものではない。非限定的な一実施形態では、送信トランスデューサアレイに適切な位相遅延を適用することによって、プレート状及び他の導波路状構造体における導波ビームステアリングを利用することができる。このようにして、構造体の励起領域の個々の位置を選択的に制御することができる。導波の集束も、送信トランスデューサに適切な位相遅延を適用すること、例えば構造体の所望の位置における強め合う干渉を得ることによって達成可能である。適切なトランスデューサ設計及び／又はフェイズドアレイ動作によって、例えば、特定の種類の構造欠陥の最適励起を達成することによって、構造体全体にわたって発生させることができる過渡性導波モードを選択することができると想定される。このモード選択を用いて、脆弱な領域における音響又は超音波エネルギー、応力、変位等を構造体全体にわたって低減した導波モードを選択することによって、検査される構造体に対する損傷を防ぐこともできる。
【００２３】
適切な周波数において適切な導波モードを発生させることによって、構造体内の特定の構造欠陥を励起して、熱イメージングシステムを介して熱応答を検出する可能性を増大させるように有利に選択可能な変位波構造、応力波構造等の特性を有するように、過渡性導波を選択することができる。構造体の所定の領域に印加される音波又は超音波エネルギーの強度を選択的に変調して、欠陥の過度の機械的励起によって損傷が広がることを防止しながら熱イメージングを可能にするのに十分な構造欠陥の局所的加熱を生じさせるように、特定の導波モードの選択を行うこともできる。また、多数の送信トランスデューサ又は送信素子に移送調節を適用して、構造体全体にわたる選択的ビームステアリング及び／又は集束を達成することができ、例えば、波の強め合う干渉を利用することができる領域に対してそれを達成して、その領域に伝えられる導波場の振幅を増大させることができる。非限定的な一実施形態では、構造体の一つ以上の領域に選択的に印加されるように適切に構成された励起場の形成等の本発明の態様が、そうした領域に存在し得る構造欠陥に関するより確かな定量的情報を得るのに効果的となり得て、欠陥の寸法を特性評価すること、例えば、所定の欠陥の深さ、長さ及び幅を特性評価することを可能にする。
【００２４】
以下、導波サーモグラフィが、構造欠陥の共鳴の特定の特性を利用することができる態様について説明する。特定の構造欠陥、例えば、剥離やひび割れ等は、比較的高周波数の共鳴を有し得て、これは、それらが組み込まれている構造体の低周波数の共鳴とは独立している。欠陥共鳴における（例えば構造欠陥での）局所的熱応答は、構造体全体の共鳴周波数における局所的応答よりも実質的に大きなものとなり得る。非限定的な一実施形態では、このような欠陥共鳴の特性を利用して、そうした比較的高周波数で構造を励起して、熱イメージングによる可視化のための構造欠陥の局所的加熱を最大にすることができる。
【００２５】
適切な周波数及び波構造のフェイズドアレイを介して導波エネルギーを欠陥上に収束させることによって、応答の顕著な改善を得ることができる。図７及び図８に示されるように、適切な励起周波数によって、特定の欠陥構造を励起して、他のものを励起しないことができる点に留意されたい。従って、適切な励起周波数を、適切な導波集束と共に用いて、構造体中のあらゆる欠陥を熱的に励起することができる。
【００２６】
欠陥の予測位置が事前に分かっている場合には、適切な時間遅延を用いて、多様な周波数においてその位置に導波を集束させることができる。欠陥の位置が不明である場合には、同じフェイズドアレイを利用して、周波数を掃引しながら構造体上の集束スポットを選択的に移動させることができる。本発明の態様を実現するサーモグラフィ検査において利用可能な導波励起の周波数範囲は、所定の構造において予測される欠陥の寸法によって決定され得る。大抵の欠陥では、そのような周波数は、超音波範囲内か又はその近傍であり、構造体（その構造体に欠陥が生じる）の低次の共鳴よりも大きい。
【００２７】
非限定的な一実施形態では、検査される構造体は、振動耐性の異なる多部品構造体であり得る。導波音波又は超音波を制御して、このような多部品構造体全体にわたって伝えらえる音波又は超音波エネルギーが多部品構造体の異なる振動耐性にほぼ合致するようにすることができる。例えば、このことは、振動耐性の低い他の領域の耐性に合致させながら、比較的高い振動耐性を有する構造体の領域を検査することを可能にする。同様に、このことは、低い振動耐性の領域を検査するのに必要とされ得るように適切に音波又は超音波エネルギーを制御することを可能にする。
【００２８】
非限定的な一実施形態では、構造体の所定の領域に異なる導波モード又は波構造を離散的に又は同時に印加することが想定される。例えば、比較的広い欠陥の場合、欠陥の縁に圧縮を誘起するように構成された波構造を有する第一の導波励起を適用し、また、欠陥の圧縮された縁と縁との間にせん断を誘起するように構成された波構造を有する第二の導波励起も適用し得る。これら二つの導波励起は離散的に又は同時に適用可能である。この異なる導波励起の適用が、弱い熱応答のため見過ごされる可能性のある欠陥形状の検出を可能にする。
【００２９】
非限定的な一実施形態では、熱撮像装置による熱応答の感知を、一つ以上の送信トランスデューサに印加される励起パルスの流れの周波数又は位相に対して同期させることが想定される（例えば、ロックイン、周波数ロック、位相ロック等）。更に、このような周波数が時間変動周波数（例えば、チャーピング周波数）を備えることが想定される。この時間同期は、熱撮像装置による熱応答の感知に関して信号対ノイズ比を向上させると考えられる。例示的な一実施形態では、導波音波又は超音波導波に応答して励起する領域の予測励起時間に対して同期を行うことができる。
【００３０】
非限定的な一実施形態では、印加された導波励起又は波構造に応答した構造体全体にわたる予測励起プロファイルに基づいて、熱イメージングセンサによる熱応答の感知を制御することが想定される。例えば、検査される構造体のモデルを用いて、特定の導波（例えば、波構造、導波モード、構造境界等に基づく）がどのように所定の構造体全体にわたって音波又は超音波エネルギーを伝えるのかという予測を事前に求めることができる。これを用いて、所定の構造体全体にわたって形成可能な音波又は超音波エネルギーの予測集束位置を事前に決定することができる。図１７に示されるように、スキャナモジュール６０（ソフトウェア、ハードウェア、又はソフトウェア及びハードウェアの組み合わせを備え得る）が、熱イメージング制御装置３２（図１）からの一つ以上の制御信号に応答して、熱イメージングセンサ６４のスキャン光学系６２（例えば、レンズシステム等）を、予測集束位置に光学的集束及び／又はステアリング（線６５及び６６によって概念的に表される）を提供するように作動させることができる（例えば、予測集束位置に向けられた視野を形成する）。
【００３１】
他の例示的な実施形態では、そのような集束位置を検査中に実時間で移動させる場合（例えば、トランスデューサの位相調整及び／又は周波数掃引に応答して）、スキャナモジュール６０を、熱イメージング制御装置３２（図１）からの制御信号に応答するように構成して、感知光学系６２をそのような集束位置の移動を動的に追跡するように作動させることができる。いずれの場合においても、制御されたスキャンが、熱イメージングセンサが熱応答の取得に関連して信号対ノイズ比を改善させることを可能にする。例えば、検査される構造体全体を監視する代わりに、これは、構造体に印加される特定の導波に応答して形成されるモデル化（又は実時間）励起プロファイルに応答した、検査される構造体のスマートなスキャンを行うことを可能にする。非限定的な一実施形態では、複数の熱イメージングセンサを、協調させて、集束位置の移動を動的に追跡するように、熱イメージング制御装置によって制御することができる。
【００３２】
［導波の理論的基礎］
導波を、媒体（導波路構造）を伝播する弾性波と定義することができ、その媒体内には、導波路構造の境界条件を満たす複数の異なる波モードが存在することができる。モード及び／又は周波数の関数として変動し得る波構造（例えば、導波路の厚さにわたって分布する変位、応力、エネルギー等）を備えた無限の異なる波モードが存在することができるという基本的な点に少なくとも基づいて、導波は、従来のバルク波とは異なる。図９及び図１０に示されるような分散曲線は、所定の構造体に対する位相速度（又は群速度）とモードと周波数との間の関係性を示す。各導波路は、固有の分散曲線の組を有し、導波路内の多様なモード‐周波数の可能性を識別するのに役立つ。波構造のバリエーションが、導波を利用するための実質的な柔軟性をもたらす。というのも、例えば、構造体の厚さにわたる所望の性質を備えた特定の波モード及び／又は周波数の組み合わせを選択することができるからである。異なる波構造を備えた導波の例が図１１及び図１２に示されている。導波路の厚さ方向にわたるエネルギー分布は、例えば、何処に音波又は超音波エネルギーを集束させ得るのかを示して、特定の深さにおける構造欠陥の局所的加熱を増強させることができる。これは、構造境界からの複数回反射の後に、超音波振動状態を形成することができる過渡性導波を発生させるための選択肢を提供する。集束領域は変化し得るものではあるが、理論的に導かれた実験を用いて、このような領域を求めることができる。導波に関する更なる詳細が必要であれば、参照として本願に組み込まれる非特許文献１を参照されたい。
【００３３】
［超音波振動、及び、過渡性超音波導波との関係］
超音波振動を、超音波周波数における構造体の定常振動として特徴付けることができる。開示される実施形態に関して、この振動は、プレート、パイプ、シェル等の導波路状構造体内での振動を指称する。より一般的な低周波数振動では、構造体の厚さ全体にわたる単純な場の変化を仮定することが多いが、超音波周波数では、このような仮定は成立しない。実際、超音波振動下においては、導波路状構造体の厚さ全体にわたる変位、応力等の顕著な変動が存在し得る。こうした構造体の振動の直交固有モードについての厚さにわたる変動は、プレートの共鳴周波数におけるその構造体内の導波の波構造に関連付けられることを示すことができる。特定の構造体について、構造体の振動の直交固有モードが、構造体を伝播して共鳴を生じさせる導波モードの組み合わせで構成されていることを示すことができる。超音波振動と導波とのこの関係性を、以下で詳細に説明するように、サーモグラフィのために利用することができる。
【００３４】
このような超音波導波振動の最も単純な場合を、図１４に関して例示されるバー構造体等の半無限のプレート状構造体について求めることができるが、これは、高次の構造体にも拡張可能である。
【００３５】
定常振動の半無限プレート状構造体の調波平衡条件を満たす弾性場を、正及び負のｘ方向に伝わる伝播導波モード及びエバネセント（一過性）導波モードの重ね合わせとして展開することができる。これを、応力σに関して次のように書くことができる：
【数１】
2015525359.tif 000003
ここで、μは、導波路のモード数を示し、α、α’はそれぞれ＋ｘ方向、−ｘ方向における各モードについての相対的複素振幅係数であり、ｋは波数であり、Ｌはプレートの長さであり、ωは角周波数であり、
【数２】
2015525359.tif 000004
は、各導波モードについての横応力場（つまり、波構造）の解である。第一項は、＋ｘ方向に伝わる波に対応し、第二項は、−ｘ方向に伝わる波に対応する。
【００３６】
そして、図１３に示されるように、厚さ方向に沿ってプレートをＮノード（例えば５ノード）に離散化して、半解析有限要素（ＳＡＦＥ，ｓｅｍｉ‐ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ｆｉｎｉｔｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）法を用いて、構造体における所望の周波数範囲に対する分散曲線及び波構造の解を求める。
【００３７】
半無限プレートについての三種類の古典的な境界条件（自由条件、単純支持条件、固定条件）の六つの可能な組み合わせ全てを上手くすることができた。非限定的な一例として、自由‐自由境界条件は以下の通りである：
【数３】
2015525359.tif 000005
【００３８】
コロケーション原理によって、式（２）の境界条件を離散化式（１）に適用すると、周波数の関数として行列方程式が得られる：
【数４】
2015525359.tif 000006
【００３９】
式（３）において、複素振幅のベクトルαが、唯一の未知数であり、周波数の関数である。この式を、大型行列をΛとして表すことによって、単純に記述することができる：
［Λ］｛α｝＝｛０｝      （４）
【００４０】
従って、この行列方程式に対する全ての非自明な解は、Λの行列式がゼロである周波数に対応する必要がある：
｜Λ｜＝０      （５）
【００４１】
この行列式をωの関数としてプロットして、反復ルート発見アルゴリズムを用いて、式（５）がほぼ満たされる周波数を決定する。そうした周波数は、構造体の固有共鳴周波数である。
【００４２】
各固有共鳴周波数に関連する複素振幅ベクトルαを決定するため、各共鳴周波数におけるΛのゼロ空間を決定しなければならない。しかしながら、ωの離散的な値及び有限数の導波モードが重ね合わせの定式化において用いられているので、行列は、系の厳密な表面ではない。従って、行列の全ての行が線形独立となり得る可能性があり、これは、行列Λの階数が６Ｎであり、行列のゼロ空間が実質的に存在しないという状況をもたらす。これを解消するため、式（６）のような人為的な固有値問題を考える：
【数５】
2015525359.tif 000007
【００４３】
この式は、固有値λがゼロに等しい限りにおいて、式（４）に等しい。これを近似するため、固有値方程式（６）を解いて、最小固有値及び対応する固有ベクトルの解を考える。その最小固有値がゼロに近い限りにおいて、その解は式（４）つまりは式（５）の良い近似である。従って、各共鳴周波数についての複素振幅ベクトルが、式（８）及び式（９）に示されるように、最小固有値に関連した固有ベクトルとなる：
【数６】
2015525359.tif 000008
【００４４】
そして、これらの解を用いて、式（１０）及び（１１）にそれぞれ従い、各共鳴周波数に関連する完全な応力又は変位振動場を再構築する：
【数７】
2015525359.tif 000009
【００４５】
図１４に示されるような矩形断面を有するバー構造体の場合における導波振動の結果が、図１５及び以下の表１に示されている。表１は、有限要素固有値問題を解き、また導波振動解析によって計算された図１４のバー構造体の共鳴周波数を示す。これは、バー構造体の共鳴周波数と導波振動との間の比較的近い数値近似である。
【００４６】
【表１】
2015525359.tif 000010
【００４７】
本発明の例示的な導波サーモグラフィシステムが多様な構造体における構造欠陥を非破壊検査するのに使用可能であり、本願で開示される方法が、適切なプログラミング言語又はプログラミング法を用いて適切なプロセッサシステムにおいて実施可能であることを理解されたい。本システムは、適切な回路の形を取り得て、例えば、ハードフェアの実施形態、ソフトウェアの実施形態、又は、ハードウェア要素及びソフトウェア要素の両方を備えた実施形態が含まれる。本システムは、ソフトウェア及びハードウェア（例えば、プロセッサ、センサ等）を用いて実施可能であり、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等が含まれ得るが、これらに限られるものではない。更に、プロセッサシステムの一部は、プロセッサ又は任意の命令実行システム用の又はこれに関連するプログラムコードを提供するプロセッサ使用可能又はプロセッサ可読媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形を取り得る。プロセッサ可読媒体の非限定的な例として、非一時的な有体プロセッサ可読媒体、例えば、半導体メモリ、固体メモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、リジッド磁気ディスク、光学ディスクが挙げられる。現状における光学ディスクの非限定的な例として、ＣＤ‐ＲＯＭ、ＣＤ‐ＲＷ、ＤＶＤが挙げられる。
【００４８】
本発明の多様な実施形態を示し説明してきたが、これら実施形態が単に例示目的で提供されていることは明らかである。本発明から逸脱せずに、多様な修正、変更、置換を行うことができる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４９】
１０  導波サーモグラフィシステム
１２、１４、１６  送信トランスデューサ
１５  構造体
１７、１９  送信素子
２０  信号調整器
２２  増幅回路
２４  インピーダンス整合ネットワーク
２５  信号発生器
２８  システム制御装置
３０  導波制御装置
３２  熱イメージング制御装置
３３  熱イメージングセンサ
【図１】
2015525359.tif 000011
【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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【図８】
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【図９】
2015525359.tif 000019
【図１０】
2015525359.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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