(57)【要約】【課題】  本発明は、複雑な製造物及び表面を有する異方性構造内の欠陥を容易に測定できる方法を提供する。【解決手段】  異方性媒体（１４）を撮像する方法は、撮像対象である前記異方性媒体内の複数の点を選択することと、前記異方性媒体内の各選択点と前記異方性媒体表面上の受信器位置との間の音響経路を判定することと、全ての必要な点において音響波速度を計算することと、前記異方性媒体内の各選択点及び前記受信器位置に基づいて音響経路の長さを判定することと、各撮像点と前記異方性媒体表面上の前記受信位置との間の各音響波の時間遅延を判定することと、前記適当な音響波速度及び前記音響経路の長さに基づいて選択された各点の合計を計算することと、前記選択撮像点ごとに生成する干渉性合計を使用して、前記異方性媒体の画像を形成することとから成る。【選択図】  図１
2005195594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性媒体を撮像する方法であって、
撮像対象である前記異方性媒体内の複数の点を選択することと、
前記異方性媒体内の各選択点と前記異方性媒体表面上の受信器位置との間の音響経路を判定することと、
全ての必要な点において音響波速度を計算することと、前記異方性媒体内の各選択点及び前記受信器位置に基づいて音響経路の長さを判定することと、
各撮像点と前記異方性媒体表面上の前記受信位置との間の各音響波の時間遅延を判定することと、
前記適当な音響波速度及び前記音響経路の長さに基づいて選択された各点の合計を計算することと、
前記選択撮像点ごとに生成する干渉性合計を使用して、前記異方性媒体の画像を形成することとから成る方法。
【請求項２】
前記異方性媒体内の各選択点と前記異方性媒体表面上の受信器位置との間の前記音響経路を判定することは前記音響波の直接経路を仮定することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記異方性媒体内の各選択点と受信器位置との間の前記音響経路を判定することは、最小２乗最小化ルーチンを使用して前記仮定経路に対する波法線を調整することを更に含み、それによって前記波法線は、前記受信器位置の望ましい点において、波線軌道が感知面と交差する点に調整される請求項１記載の方法。
【請求項４】
任意の方向の前記音響波速度を計算することは、クリストッフェルの方程式を解くことによって達成される請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記音響波速度を計算することは、位相速度及び群速度を判定することを更に含み、また前記位相速度及び群速度は、前記異方性媒体の基本的な材料特性の知識によって判定される請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記異方性媒体内の前記位相速度及び群速度は、部品の設計及び製造に使用される機械製図から判定される請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記音響波速度を計算することは、ビームスキューを更に判定することにより達成される請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記ビームスキューは、スネルの法則の局所的形態、フェルマーの原理に基づく変分法の公式、又は各モード伝搬に関連して前記波面を追跡するフルフィールド定差型モデルによって判定される請求項１記載の方法。
【請求項９】
合計を計算することは干渉性合計を計算すること、非干渉性合計を計算すること又は部分的干渉性合計を計算することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
異方性媒体を撮像する方法であって、
前記異方性媒体の断層を求めることと、
点音響源によって前記異方性媒体を照射することと、
受信器で前記異方性媒体を走査して音場をマッピングすることと、
前記音場からの音響波における時間遅延を判定することと、
前記時間遅延をアルゴリズムに組み込み、前記撮像を行なうために高い解像度及び感度を供給することとから成る方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
近年、航空宇宙産業等の構造適応分野において、異方性媒体の使用頻度が高くなってきた。この異方性は、複合材料の強化用繊維や指向性結晶材料を使用することによって実現してもよく、又は複合母材の大規模単結晶を使用することによって実現してもよい。材料特性を特徴付けるために従来から使用されてきた多くの装置は、方向依存性材料中の欠陥位置を特定するために十分な感度を有していない。例えば、従来の超音波技術は等方性媒体の欠陥位置を特定するために使用されてきたが、この技術は機械的ラスタ走査を必要とするため高価で且つ時間がかかり、特にエーロフォイル等の複雑な湾曲を有する製造物における実現が多少困難である。複雑な湾曲を有する減衰的媒体及び減衰的製造物の欠陥位置を特定する感度を向上させるには、通常、合焦技術が使用される。一般に、物理的変換器は合焦を容易にするために採用される。この物理的変換器は、製造物の局所的対象領域からの音響信号と単純なレンズに対する十分な単純形状とを整合的に付加するように設計されたレンズを採用するが、このアプローチは異方性媒体を使用する場合には不十分である。
【特許文献１】米国特許６，１４２，０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
レーザ超音波は、レーザを使用することにより製造物の欠陥を生成又は検出する。この技術によって、迅速で非接触の検査が可能となる。通常、プローブレーザ光線が表面の変位又は速度を検出するのに対して、レーザ光源は表面の局所的地点で音声を生成する。この検出は特に１つの点で実行されるため、非集束型検出となる。従って、この検出方法は、適当な信号処理を行なわずに複雑な構造の製造物内の欠陥を検出することには適さない。
【０００３】
そのため、複雑な製造物及び表面を有する異方性構造内の欠陥を容易に測定できる方法を判定することが望ましい。製造過程でのリアルタイム試験中、異方性媒体の潜在的な欠陥を特徴付けるのに効果的に使用できる方法を判定することが更に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、異方性媒体を撮像する方法であって、撮像対象である前記異方性媒体内の複数の点を選択することと、前記異方性媒体内の各選択点と前記異方性媒体表面上の受信器位置との間の音響経路を判定することと、全ての必要な点において音響波速度を計算することと、前記異方性媒体内の各選択点及び前記受信器位置に基づいて音響経路の長さを判定することと、各撮像点と前記異方性媒体表面上の前記受信位置との間の各音響波の時間遅延を判定することと、前記適当な音響波速度及び前記音響経路の長さに基づいて選択された各点の合計を計算することと、前記選択撮像点ごとに生成する干渉性合計を使用して、前記異方性媒体の画像を形成することとから成る方法を開示する。
【０００５】
また、本発明は、異方性媒体を撮像する方法であって、前記異方性媒体の断層像を求めることと、点音響源によって前記異方性媒体を照射することと、受信器で前記異方性媒体を走査して音場をマッピングすることと、前記音場からの音響波における時間遅延を判定することと、前記時間遅延をアルゴリズムに組み込み、前記撮像を行なうために強化された分解能及び感度を供給することとから成る方法を開示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
ここで、異方性構造を有する製造物の欠陥を容易に識別判定する方法を開示する。一実施形態において、この方法は非破壊方式であり、製造物内における音波の伝搬状態を識別する計算を使用する。一般に実験方法と呼ばれるこの方法は、製造物内を通過する音響波伝搬遅延を再構成する。
【０００７】
通常、この方法は、撮像対象である異方性媒体内の複数の点を選択することと、異方性媒体内の各選択点と異方性媒体表面上の受信器位置との間の音響経路を判定することと、音響波速度と異方性媒体内の各選択点及び受信器位置に基づいて音響経路の長さとを計算することと、各撮像点と異方性媒体表面上の受信位置との間の各音響波の時間遅延を判定することと、音響波速度及び音響経路の長さに基づいて選択される各点の干渉性合計を計測することと、前記選択撮像点ごとに生成する干渉性合計を使用して異方性媒体の撮像を実現することとから成る。
【０００８】
異方性媒体内の音響波速度は、クリストッフェルの方程式によって決定される。音響波に関するエネルギーが音響波法線の方向に伝搬しないことによって、異方性媒体で通常観測されるビームスキューも又説明される。各撮像点での速度が判定されると、各撮像点の音響経路の長さが判定される。各撮像点の速度及び音響波経路の長さが判定されると、その撮像点に関連する時間遅延は容易に計算され、異方性材料の改善画像を形成できる。
【０００９】
通常、実験方法と呼ばれる他の方法において、遅延は製造物の断面、すなわち断層を作成する個別の実験によって推定されてもよい。その後、断層を求められた製造物はレーザ超音波等で処理され、音響波伝搬遅延が判定される。実験方法においては、一般に、製造物の断層が求められ、異方性製造物の多様な断層に関する音声遅延が計測される。この改善されたアプローチは、位相配列又はレーザ超音波による合成開口合焦技術変換器としての従来の集束型圧電プローブによって実現されてもよい。これにより、異方性材料の合焦及び感度が改善される。
【００１０】
これらの方法はいずれも、市販の他の方法と比較すると、複合材料内のより小さい欠陥を解消する解像度及び感度を有している利点を有する。欠陥検出及び解像度は、音響波伝達に関連する時間遅延に対する正確な推定を組み込むことによって改善される。近年、航空機の翼及び垂直安定板、ファンブレード、プロペラ、タービンノズル、自動車の外部ボディパネル及びバンパー等のアプリケーションにおいて、複合構造は次第に普及している。航空機の場合、複合材料は航空機における全構成の実質的な部分を構成する。適当な複合材料は、エポキシ、ポリアセタール、ポリアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリーレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレン硫化物、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾオキサゾール等の重合体に含まれるグラファイト、炭素、グラスファイバー等の繊維を有する重合体母材の複合材料である。他の適当な複合材料は、半結晶合金や、チタニウムベース合金又はニッケルベース合金等の単結晶合金等である。このような複合材料の製造に成功するためには、通常、非破壊検査方法が望ましい。超音波撮像によって、製造物を破壊することなく、このような欠陥を識別し且つ定量化する重要な方法を実現することができる。本発明の超音波撮像方法によって検出することができる共通の欠陥は、亀裂、非結合部、腐食、気泡、空隙、ピンホール、エアポケット等である。
【００１１】
実験方法は、撮像対象である異方性製造物内の複数の点を選択することと、各選択撮像点と製造物表面上に仮定された受信器との間の音響波速度を判定することとから成る。また、各選択撮像点と受信器との間の音響波経路の長さも判定される。次に、音響波速度経路の長さを利用して、各選択撮像点と受信器との間の音響波に対する時間遅延が判定される。この処理は、層間マップや他の機械製図を含む製造物の組立設計図と同様に、材料定数の知識を使用することにより実現可能である。その結果、音響波が異方性媒体を透過した後、音響波源で生成する全ての音響波干渉性合計を生成し且つ使用することによって異方性媒体の画像を形成することができる。
【００１２】
一実施形態において、音響伝搬遅延を計測するための経験的技術は、通常、音響波伝達における任意の遅延を利用することによって合成変換器を実現する。この手順は、通常、合成開口合焦技術（ＳＡＦＴ）と呼ばれる。合成変換器は、焦点の周囲を移動する音響波伝達における任意の遅延（音響伝搬遅延）を生じる複数の小要素によって実現される。
【００１３】
等方性媒体に適応されるＳＡＦＴ方法において、画像は受信器の開口ｊにわたって検出された波形を合計することによって形成される。これは以下の式（１）で示される。
【００１４】
【数１】
2005195594.tif 000003
【００１５】
ここで、Δｔｉｊは、観測点(ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ)から撮像点(ｘｊ，ｙｊ，ｚｊ)への音声伝搬に対する往復時間遅延である。等方性材料の場合、これは式（２）で示される。
【００１６】
【数２】
2005195594.tif 000004
【００１７】
ここで、Ｖmaterialは、等方性材料の音響波速度である。製造物の画像Ｉを正確に形成するため、時間遅延は撮像対象である点ごとに計算される。換言すれば、時間遅延が焦点ごとに計算されるため、ＳＡＦＴは全ての深度において合焦する。逆に、物理的変換器は１つの深度においてのみ合焦する。画像Ｉは、合成開口の適切なアポディゼーションと画像深度を含む多様な開口サイズとによって改善されてもよい。
【００１８】
合成開口のアポディゼーションにおいて、合成開口を示すデータ点は異なる重み付けをされることによって画像解像度を改善する。例えば、焦点から離間した場所での計測を表すデータ点は、焦点から非常に近い場所での計測を表すデータ点よりも少なく重み付けをされる。この技術により、バックグラウンドノイズを抑制して開口の縁付近で生じるアーティファクトを除去することによって精度が改善される。ブラックマンウィンドウ、バートレットウィンドウ、コーンウィンドウ、コサインウィンドウ、ガウスウィンドウ、ハミングウィンドウ、ハニングウィンドウ、均一ウィンドウ、ウェルシュウィンドウ等のウィンドウ機能は、合成開口を構成する多様なデータ点を重み付けするために使用されてもよい。
【００１９】
音響波の群速度及び位相速度が相互に一致する等方性媒体とは異なり、異方性媒体のエネルギー伝搬は、伝搬方向が対称軸に沿わない限り波法線と一致しないことになる。この現象は、エネルギー束のずれ又はビームスキューとして知られている。音響エネルギーは等方性媒体のように、変換器面の法線方向（波法線方向）には必ずしも伝搬せず、波法線に対する傾斜角分の歪みが生じる。特に、異方性による任意のＳＡＦＴ再構成アルゴリズムは、伝搬方向を有する音響波速度の固有の変位と同様に、両方のビームスキュー効果を明らかにすることが必要である。異方性媒体における波の伝搬は、任意の選択波法線に対する（各伝搬モードに１つずつの）３つの可能な位相速度を生じるクリストッフェルの方程式によって決定される。異方性媒体における音響波の伝搬を決定するクリストッフェルの方程式は、式（３）によって示される。
【００２０】
【数３】
2005195594.tif 000005
【００２１】
ここで、Cijklは剛性テンソル成分であり、ljは波法線成分であり、llは粒子変位成分であり、ρは密度であり、υは位相速度であり、δikは同一性テンソル成分である。画像は、クリストッフェルの方程式を使用して、製造物の全位置における方向機能としての音声速度を計算することによって形成される。
【００２２】
任意の所定伝搬方向１に対して、この処理は、各々が分極ベクトルαに関連する３つの可能な位相速度（Ｖmaterial）を有する固有値問題を発生させる。ピュアモードが伝搬してα及び１が相互に並列（縦方向）又は直列（横方向）である等方性媒体とは異なり、異方性媒体では、α及び１は通常、相互に並列でも直列でもない。また伝搬するバルク波はピュアモードではなく、むしろ縦振動及び横振動の複数の特性を有する。これらは準縦波及び準横波として参照される。上述のビームスキューは、この状況を更に複雑にするため、エネルギー伝搬は、以下の式（４）によって制限される。
【００２３】
【数４】
2005195594.tif 000006
【００２４】
ここで、Ｓはエネルギー伝搬ベクトルであり、S.l = υである。そのため、ビームスキュー現象は、信頼性の高いＳＡＦＴ撮像アルゴリズムの設計において重要なものとなる。
【００２５】
通常、異方性の効果によって解析が複雑になり、それによって計算も複雑になる一方、この問題が、ベースライン材料音響特性を有する取扱い容易な問題に変換可能であることが知られている。ベースライン材料音響特性は、製造物の材料の基本的特性の知識から得られてもよい。付加的な音響特性は、部品を製造するための機械製図から判定されてもよい。信頼性の高いＳＡＦＴアルゴリズムを設計する上での重要な要素は、製造物内の任意の反射材（例えば、微細構造欠陥）と製造物表面上の任意の潜在的受信器（検出器）位置との間の音響送信時間を正確に設定する性能である。均質な等方性媒体において、音響波線が直線波線経路に沿って伝わることによって計算は明示され、遅延は式（２）から計算される。不均質な異方性媒体においても波線経路は直線に沿うが、ビームスキュー現象を説明する必要がある。波源と受信器との間の音響波線経路に対する波法線が、波線経路の両端点の空間的位置で単純に判定できないという観測により、仮定波源と受信器との間の音響送信時間の実際の計算は複雑になる。
【００２６】
製造物内の任意の点と検出器との間の実際の音響送信時間を推定するためには、通常、正確な波法線を識別する反復方式が好ましい。波が利用可能である直接経路がまず仮定されて、この仮定経路への波法線が最小２乗最小化ルーチンを使用して調整され、仮定された波法線、その後、波線が、受信器位置の望ましい点で波線軌道が感知面と交差する点に調整される。音響波に関して計測された時間遅延の推定は、基本的な材料特性や、層間マップ等の組み立て方式、製造物を設計し且つ製造するのに使用される機械製図等の知識によって改善される。この方法論を利用して、等方性媒体用ＳＡＦＴ技術と類似した方法での異方性媒体に関するＳＡＦＴ補正方式を設計することができる。
【００２７】
この方式が確立すると、群速度及びビームスキュー角度は迅速に計算される。対象となる多数の材料、特に湾曲する複合製造物に関して、層間湾曲率等の微細構造の変位による材料特性の局所的不均質性によって、撮像中に付加的な複雑要素が生じる。不均質媒体の音響波線は、直線経路に沿って進行せずに湾曲する。これにより音響経路の長さが増加し、それに伴い送信時間も増加する。これを改良するため、音響波線追跡子が使用されてもよい。音響波線追跡子は、スネルの法則の局所的形式又はフェルマーの原理の変分法定式に基づく。それによって得られる合計は干渉性、非干渉性又は部分的干渉性のものであってもよい。一方、フルフィールド定差モデルが組み立て可能であり、各伝搬モードに直接関連する波面を追跡することができる。これら全てのアプローチによって、不均質な異方性媒体の音響波線経路が正確に形成される一方、スネルの法則に基づいた波線追跡装置は、ある程度容易に実現され、好ましい実現方法となる。
【００２８】
そのため、反復方式を音響追跡子の使用と組み合わせて使用することにより、正確な波経路及び音響送信時間を得ることができる。これは、製造物の正確な音声伝搬モデルを得るために使用されてもよい。
【００２９】
時間遅延を測定するための破壊技術である実験方法において、製造物は、断層が求められて、レーザ超音波検査システムで検査され、そこで遅延が計測され且つ音響波経路が判定される。その後、音響波経路の判定は効果的に利用され、製造物の正確な音声伝搬モデルを得るために使用される。これは前述の式（２）を使用することによって達成される。式は、再構築の開口、非対称の開口、すなわち波源と受信器とが不一致である開口、複数の波源及び／又は受信器を有する開口、深度を有する開口の動的拡大等のアポディゼーション等の方法によって変更されてもよい。また標準時間遅延ＳＡＦＴコードは、ルックアップテーブルが実験的に計測されて製造物の異方性を反射するために使用できる場所で任意に使用される。
【００３０】
一実施形態において、図１は、レーザ超音波検査システム１０のブロック図を示す。レーザ超音波検査システム１０において、製造物の表面は単光源レーザ又は、複数の光源レーザ１２によって照明（走査）される。好ましい超音波検査システム１０は、複数の送信器及び複数の受信器（検出器）２０を有する位相配列超音波システムを具備する。製造物は、金属製航空機外板又はグラファイトエポキシのタービンブレード等の工業材料であってもよい。光源レーザ１２は製造物表面に沿って、複数の走査位置においてレーザ光線で製造物１４を照射する。光源レーザ１２から発生されたレーザ光線は、通常、比較的高い（例えば約５ｘ１０８Ｗ／ｃｍ２以下の）エネルギーを有する。
【００３１】
例えばレーザは、色素レーザ、波長可変レーザ、パルスレーザ、ガスレーザ、エキシマレーザ、繊維レーザ、ダイオードレーザ、自由電子レーザ及び固体レーザを含む。例えば色素レーザは、連続波型レーザ、エキシマ励起型レーザ、閃光励起型レーザ、窒素励起型レーザ、パルスレーザ、２倍Ｎｄ：ＹＡＧ励起型レーザ及び銅蒸気励起型レーザを含む。例えばガスレーザは、イオンレーザ、金属蒸気レーザ、エキシマレーザ、遠赤外線レーザ、混合ガスレーザ、一酸化炭素レーザ、フッ化アルゴンレーザ、アルゴンイオンレーザ、二酸化炭素レーザ、フッ化ジュウテリウムレーザ、フッ化物／フッ素レーザ、ヘリウム金レーザ、ヘリウムネオンレーザ、ヘリウム銀レーザ、フッ化水素レーザ、クリプトンレーザ、塩化クリプトンレーザ、フッ化クリプトンレーザ、ネオン銅レーザ、窒素レーザ、酸化窒素レーザ、キセノンレーザ、塩化キセノンレーザ及びキセノンヘリウムレーザを含む。例えばエキシマレーザは、フッ化アルゴンレーザ、フッ素レーザ、フッ化クリプトンレーザ、臭化キセノンレーザ、塩化キセノンレーザ及びフッ化キセノンレーザを含む。例えば繊維レーザは、連続波型レーザ及びレーザ励起型レーザを含む。例えばダイオードレーザは、連続波型レーザ、現行同調型レーザ、線形配列準連続波型レーザ、温度安定化型レーザ、波長可変レーザ、可視レーザ、AlGaInP/GaAsレーザ、GaAlAs/GaAsレーザ、GaAlAsレーザ、GaAsレーザ、InGaAsレーザ、InGaAs/InPレーザ及び鉛塩レーザを含む。例えば、固体レーザは、色中心型レーザ、閃光励起型レーザ、連続波型レーザ、ダイオードレーザ励起型レーザ、ＣＷ励起型レーザ、パルスレーザ、Cr:LiCAFレーザ、Cr:LiSAFレーザ、CTh：YAGレーザ、Er:YAGレーザ、Er:YLFレーザ、フォルステライトレーザ、Ho:YAGレーザ、KnBO3レーザ、KBOレーザ、LiFレーザ、Nd:glassレーザ、Nd:LSBレーザ、Nd:YABレーザ、Nd:YAGレーザ、Nd:YAG/KTPレーザ、Nd:YALOレーザ、Nd:YLFレーザ、ルビーレーザ、Th:YAG/Ti:YAGレーザ、Ti:sapphireレーザ、Tm:LuAGレーザ、Tm:YAGレーザ、Tm:YLFレーザ及びYVO4レーザを含む。
【００３２】
超音波は、製造物の非破壊局所加熱によるレーザ光線によって発生して膨張を引き起こし、その後製造物１４を通過して伝搬する誘発振動波を生成する。発生した超音波は、製造物１４を通過して伝搬して、製造物内又は製造物表面に沿って位置する欠陥等の反射材１６によって走査位置に反射される。反射された超音波は走査位置に戻るので、検出レーザ１８は、変位又は表面速度を検出するために使用される。この際、他のレーザ光線が製造物表面を同時に照射する。検出レーザ１８から発生するレーザ光線は、干渉検出に適した線幅、安定性及びフルエンスを有する。一般に、感度の高い干渉検出器である検出器２０は、変位又は速度信号を検出し且つ増幅して、その信号を信号キャプチャ２２に出力する。
【００３３】
上述の通り、システム１０は、複数の送信器１２及び検出器２０を有する位相配列変換器を有するのが望ましい。一実施形態において、変換器の配列は、一定の配列要素がレーザ超音波を送信するために使用され、他の配列要素が超音波を受信するのに使用されるまばらな配列で構成される。他の実施形態において、まばらな配列の送信要素及び受信要素は、（幾何学構造等の）異なる構造を有し、各送信機能及び受信機能に対してそれぞれ最適化される。更なる実施形態において、変換器は、超音波を受信するように単独で構成される第２の変換器と共に使用するために、単独で構成されて超音波を送信する。送信変換器及び受信変換器は、同様の又は異なる幾何学構造を有することができる。この実施形態では、検査中の製造物は送信器と受信器の間に配置される。
【００３４】
超音波受信器は、入力信号の受信及び処理を行なう。一実施形態において、受信器は、‐６ｄＢ及び４０ｄＢのゲインで０．５〜３０ＭＨｚの周波数応答を有する。受信器は、０．５ｄＢ（‐４０ｄＢ〜+５８ｄＢ）の増分で０〜９８ｄＢのゲインを供給する。
【００３５】
他の付加的な実施形態において、異方性材料に関する伝搬距離及び伝搬方向に依存する整合フィルタは構成可能である。異方性材料において、音速は伝搬方向に依存する。異方性材料の整合フィルタは、波源からの距離及び伝搬方向の機能として、表面変位又は速度等の応答を計測することによって構成される。３次元整合フィルタである整合フィルタは、伝搬距離だけではなく伝搬方向にも依存する異方性材料のばらつきを除去する効果的な方法に適応される。特定の距離で全方向を撮像するために単一補償波形を使用する代わりに、各方向はそれに関連する固有のフィルタデータ点を有する。
【００３６】
更に他の実施形態において、整合フィルタは、ほぼ全ての特定伝搬モードをフィルタリングするように変更することができる。一般に、薄型構造において、１つの伝搬モード（例えば、逆対称モード）は、他の伝搬モードよりも特定の種類の欠陥に対してより高感度となる。感度は、例えば、特定モードにおける反射信号の振幅として定量化することができる。特定の種類の欠陥に対するより高感度な伝搬モードは、より大きい反射信号の振幅を有する。受信器は、任意にハイパスフィルタ及びローパスフィルタを含んでもよい。これらのフィルタは、特定のバンドパスフィルタを作成するために、個別に又は組み合わせて使用される。受信器は、十分な感度及びノイズレベルの性能を含む。通常、ノイズレベルは、最大ゲインにおいてスクリーン上で４０％のグラスレベルを超えないことが望ましい。また、各受信チャネルは、必要に応じてデジタル振幅補正（ＤＡＣ）を含んでもよい。ＤＡＣは全取得時間に渡ってアクティブであり、個別に制御可能な各チャネルを有する。
【００３７】
レーザ超音波波形データを表す振幅信号は、変換器２４によってデジタル化され、メモリ２６に格納される。メモリ２６に格納されたレーザ超音波波形データは、時間又は周波数の機能として、複数の検出点での表面変位又は速度等の製造物の動作を表す複数のデータ点を有する走査データセットを形成する。メモリに格納された走査データセットは、プロセッサ２８によって処理される。プロセッサは、ディスプレイ３０に表示される製造物の画像を再構築する。システム１０に関係する上記の実施形態が位相配列変換器を有する超音波システムを一般的に説明すると、ＳＡＦＴ変換器として従来の集束圧電プローブを用いる方法を使用することも可能である。
【００３８】
レーザ超音波撮像の感度は、合成開口合焦技術によって著しく改善される。レーザ検出器２０自体は、通常、動作の正常な構成要素に対してのみ高い感度を有し、反射された超音波の到着方向の違いは識別しない。レーザ検出器２０は合焦できず、検出信号を誘発する製造物１４内の任意の反射材１６の精密な空間位置も識別しない。しかし、合成開口合焦技術において、異なる走査位置で得られた反射信号は、各信号及び特定時間を遅延することによって整合的に合計されて、反射材１６とは異なる反射信号を合焦する。合成開口合焦技術は反射材から異なる方向に反射された信号を合成して合焦させ、改善された解像度を有する画像を形成する。
【００３９】
図２のＡ及びＢは、反射材１６から反射された波を合焦する方法を示す。図２Ａに示す通り、物理的集束変換器３０は変換器の表面に到着する波面を合計する。干渉性合計は局所化領域１７（焦点）からの位相で到達する信号に関して生成され、非干渉性合計は他の信号に対して生成される。物理的焦点は成形レンズ又は成形変換器要素によって実現することができる。図２Ｂは、合成開口合焦技術（ＳＡＦＴ）を示す。図２Ｂにおいて、汎用変換器又は合成変換器は任意の遅延を発生させることによって実現され、焦点１９を周囲に移動させる。合成開口合焦技術は、発散性光線を有する１つの送信器と１つの受信器とを利用してもよく、これらは製造物表面にわたって走査されて望ましい開口を被覆する。変換器位置及び製造物を通過する音声速度は、集束画像を形成するために使用される。
【００４０】
一実施形態において、実験方法を実施する１つの方法において、複合エンジンファンブレード（幅広翼弦ファンブレード）を有する肉厚複合材料製造物は、上述の技術を利用して検査され且つ撮像されてもよい。複合エンジンファンブレードの概略は、図３に示される。レーザ超音波パルスエコー撮像がエーロフォイル領域内や適切な透過度のルート外において利用されてもよい一方、より深い領域においては、異方性ＳＡＦＴは効果的に利用されてビームステアリング及びビームずれを補償してもよい。ＳＡＦＴをより深い領域に制限することによって、計算量は最小化される。必要に応じて、エーロフォイル領域の大きなスポット寸法及び大きなスキャンステップ寸法、並びに、小さなスポット寸法及び小さなステップ寸法を使用して図３に示す構造全体の画像を撮像し、照明ビームの十分な広がり及び再画像の解像度を得るために、同一の装置を使用してもよい。
【００４１】
図４は、幅広翼弦ファンブレードに関して行なう方法を示す。図４に示す通り、横断層は内部の断面を露呈して形成される。この断層は、ＳＡＦＴによる撮像対象である提供領域を網羅する深度の範囲を測定する。その後、音場は図５及び図６に示すようにマッピングされる。各光源レーザ位置において、受信器レーザ光線は対面上を走査されて、エンジンファンブレードに関する音場をマップアウトする。図５は、ブレードの長軸に沿う方向における音場の計測を示す。図６は、垂直方向におけるマッピングと音声遅延ルックアップテーブルへの記入とを示す。通常、レーザ超音波は後に使用される開口のサイズまでを記入するだけである。音場の計測は、最大利用可能開口のサイズを推定して、光源レーザスポットの最適なサイズを計算し、これらの角度を音声で記入するために使用される。マッピングはレーザ超音波によってここで完了したが、従来の変換器又は位相配列変換器も使用することもできる。
【００４２】
図７は、金属母材複合材料上で実行された本マッピング技術の単純な経験的実験の結果を示す。レーザ超音波源は部品の１つの側面上に反復して発射され、一方、その対面では受信器が走査された。取得されたデータは、部品を通過する音場の動作を示す動画として再生される。このアプローチは発展して、異方性と、まさにこの種類のアプリケーション（異方性材料におけるＳＡＦＴ撮像）の経験的音声遅延とを計測した。遅延は計測されたが、プログラムの第１位相において再構築は実行されなかった。グラファイト／エポキシ部品用のデータは、同様の方法で得られた。
【００４３】
通常、上述の通り、音声伝搬遅延は集束画像の形成において重要であり、走査されたレーザ超音波受信器及び製作された焦点標準を使用して計測される。これと同様の標準は、従来の圧電変換器が反復して発射されて、深部の音場が計測される従来の検査を使用することによって達成される。標準時間遅延ＳＡＦＴコードは、ルックアップテーブルの等方性音声速度が現状のままであると仮定するモデルから得られるよりは、実験的に計測されて、真の部品異方性を反映する場合に使用されるであろう。
【００４４】
以下の実施例は例示であり本発明を限定するものではなく、複合材料と、その複数の異方性複合材料の撮像方法とを示す。
【実施例】
【００４５】
この実施例は、準等方性ラミネート、一方向強化複合材又は単結晶エンジン合金に対する等方性材料のＳＡＦＴ補正機能を示すために行われた。この実施例は、音響波伝搬遅延を判定するためにモデル計算を使用できる方法を示す。この方法は、上記の実験方法を使用して音響波伝搬遅延を計算する。等方性材料は、アルミニウムである。準等方性ラミネートは複数の層間方向を有し、グラファイトエポキシ複合材料から製造された。ここで利用される一方向強化複合材は一方向に層間整列して、これもまたグラファイトエポキシ複合材料から製造された。単結晶エンジン合金は、ニッケル超合金を含んだ。
【００４６】
上記材料の音響波時間シフトの相違は、図８、図９、図１０、図１１の比較により明示される。図８は、アルミニウムの表面位置の機能としてＳＡＦＴ時間シフトを示し、一方、図９、図１０、図１１は、準等方性（ｐ／４）ラミネート、一方向強化複合材及び立方単結晶合金に対して同様の計算を示す。明らかに、図１０の一方向強化複合材に関する、材料の異方性の効果が最も明らかに示される。
【００４７】
本発明は例示的な実施形態を参照して説明されたが、本発明の範囲を逸脱することなく、多種多様な変更が可能であり且つ同等物がこれらの要素に代替できることは、当業者によって理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】レーザ超音波検査システムの一実施例を示す図。
【図２】Ａは、変換器の表面を横断して達する波面を合計する物理的集束型変換器を示す概略図。Ｂは、合成開口合焦技術（ＳＡＦＴ）を示す概略図。
【図３】複合型エンジンファンブレードの概略図。
【図４】複合型エンジンファンブレードの内部の断面を露呈する断層を求める方法を示す図。
【図５】ブレードの長軸方向の音場の測定を示す図。
【図６】垂直方向の音響マッピング、及び音声遅延ルックアップテーブルへの記入を示す図。
【図７】音響波動の遅延がデータから読み出される多様な時間間隔で示される音場の画像。
【図８】アルミニウムの表面位置の機能としてＳＡＦＴタイムシフトを示す図。
【図９】準等方性（ｐ/4）ラミネートの表面位置の機能としてＳＡＦＴタイムシフトを示す図。
【図１０】一方向強化複合材の表面位置の機能としてＳＡＦＴタイムシフトを示す図。
【図１１】立方単結晶合金の表面位置の機能としてＳＡＦＴタイムシフトを示す図。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図７】
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【外国語明細書】
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