(57)【要約】【解決手段】開示された発明は供試の金属構造物（４０）に最も近い磁石（２４、２８）で、前記磁石（２４、２８）が非破壊テストに適応する電磁音響トランスジューサ（ＥＭＡＴ）対の環状アレー（２０、２２）を形成するように配列される、磁石の切欠き端によって形成されるチャネル又はチャンバ（４８、５０）内に送信用及び受信用の電気コイル（５２、５４）を据付する。移動位置における１つまたはそれ以上の電磁的に誘導された共振周波数の検出は供試の金属構造物（４０）に１つ又はそれ以上の傷（５８、６０）が存在することを示す。チャネル又はチャンバ（４８、５０）によって供されるこの新しいコイルの埋込み型据付は従来の技術に比べてコイル（５２、５４）間に見られる電気クロストークを略減少し、また、その金属構造物はコイル（５２、５４）と相対的に縦の運動をしているので、コイル（５２、５４）が供試の被検金属構造物（４０）と接触する可能性を減少する。【選択図】図１
2004521321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属構造物の非破壊テスト装置であって、
（Ａ）略円筒形の金属体の外周壁を囲む円形開口を有するハウジングであって、前記略
円筒形の金属体はその長手軸に沿う方向に前記ハウジングを通って移動できるも
のであるハウジングと、
（Ｂ）第１の電磁音響トランスジューサであって、
（１）第１の複数の略同形の永久磁石であって、前記ハウジング内に設置され、第
１のアレーに配置され、反対の極性を有する隣接した磁石の端部を等間隔に
して第１の放射中心の周りに円形開口に沿って略平面放射状に配置され、
；前記第１のアレーは、前記略円筒形の金属体の長手軸を横断する方向に、
第１の放射中心を略同軸線上にした状態で配置され；各前記第１の複数の略
同形の永久磁石は：
（ａ）前記円形開口に近接する第１の端部、及び
（ｂ）前記周壁に対して略直交し隙間がある第２の端部であって、前記第２の
端部は略円筒形の金属体の長手軸に対して略同軸線上にある平面がノッ
チされている、前記第２の端部、
を有する第１の複数の略同形である永久磁石と、
（２）第１の導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置され、前記第
１の複数の略同形の永久磁石における前記ノッチされた第２の端部によって
形成される環状チャネル内に配置されている、第１の導電性ワイヤコイルと
を有する第１の電磁音響トランスジューサと、
を有するものである。
【請求項２】
請求項１記載の金属構造物の非破壊テスト装置は第２の電磁音響トランスジューサを更に有し、前記第２の電磁音響トランスジューサは：
（Ａ）前記第１の複数の略同形の永久磁石と略同形の第２の複数の永久磁石であって、
前記ハウジング内に設置され、第２のアレーに配置され、反対の極性を有する隣
接した磁石の端部を等間隔にして第２の放射中心の回りに円形開口に沿って略平
面放射状に配置され、；前記第２のアレーは、前記第１のアレーに略平行に隣接
され；前記第２のアレーは、前記略円筒形の金属体の長手軸を横断する方向に、
第２の放射中心を略同軸線上にした状態で配置され；各前記第２の複数の略同形
の永久磁石は：
（ａ）前記円形開口に近接する第１の端部、及び
（ｂ）前記周壁に対して略直交し隙間がある第２の端部であって、前記第２の端部
は略円筒形の金属体の長手軸に対して略同軸線上にある平面がノッチされて
いる、前記第２の端部、
を有する第２の複数の略同形である永久磁石と、
（Ｂ）第２の導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置され、前記第２の
複数の略同形の永久磁石における前記ノッチされた第２の端部によって形成され
る環状チャネル内に配置されている、第１の導電性ワイヤコイルと
を有する第２の電磁音響トランスジューサと、
を有するものである。
【請求項３】
請求項２記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記第１のアレーは前記第２のアレーに対して直線上で回転的にオフセットである。
【請求項４】
請求項３記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記磁石の各前記第２の端部の隙間は略不変であり、前記略円筒形の金属体が機械的に前記装置に接触することなく縦に移動することができるものである。
【請求項５】
請求項３記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記第１のアレー及び第２のアレーは夫々２６個の磁石を有するものである。
【請求項６】
請求項５記載の金属構造物の非破壊テスト装置はさらに、
（Ａ）前記第１の導電性ワイヤコイルに接続された信号生成手段と、
（Ｂ）前記第２の導電性ワイヤコイルに接続された信号検出手段と、
を有し、前記信号生成手段は前記第１のアレーの前記チャネルに配置された前記第１の導電性ワイヤコイルに電気励磁信号を与え、前記信号検出手段は前記第２のアレーの前記チャネルに配置された前記第２の導電性ワイヤコイルの電気応答信号を感知するものである。
【請求項７】
請求項１記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記導電性ワイヤコイルに印加される電気励磁信号は、前記略円筒形の金属体に振動を生じさせるものである。
【請求項８】
請求項２記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記略円筒形の金属体の音響振動は前記第２の導電性ワイヤコイルを電気的に励磁させるものである。
【請求項９】
電磁音響トランスジューサであって：
（Ａ）複数の磁石であって、ハウジング内に設置され、アレーに配置され、反対の極性
を有する隣接した磁石の端部を等間隔にして放射中心の周りに円形開口に沿って
略平面放射状に配置され；前記円形開口は略円筒形の金属体に対して通孔を提供
し、；前記アレーは、前記略円筒形の金属体の長手軸を横断する方向に、前記放
射中心を略この長手同軸線上において配置され、；各前記複数の磁石は、：
（１）前記円形開口に近接する第１の端部、及び
（２）前記略円筒形の金属体の前記周壁に対して略直交し隙間がある第２の端部で
あって、前記第２の端部は略円筒形の金属体の長手軸に対して略同軸線上に
ある平面がノッチされている、前記第２の端部、
を有する前記複数の磁石と、
（Ｂ）第２の導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置され、前記複数の
磁石における前記ノッチされた第２の端部によって形成される環状チャネル内に
配置されている、第１の導電性ワイヤコイルと
を有する第２の導電性ワイヤコイルと、
を有するものである。
【請求項１０】
改良型の電磁音響トランスジューサであって、複数の略同形の永久磁石であって、ハウジング内に設置され、アレーに配置され、反対の極性を有する隣接した磁石の端部を等間隔にして放射中心の周りに円形開口に沿って略平面放射状に配置され、；各前記複数の略同形の永久磁石は、：前記円形開口に近接する第１の端部及び前記周壁に対して略直交し隙間がある第２の端部を有する前記複数の略同形の永久磁石と、導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置された前記導電性ワイヤコイルと、を有する改良型の電磁音響トランスジューサにおいて、前記改良は、：
（Ａ）各略同形の永久磁石の前記第２の端部であって、前記略円筒形の金属体の長手軸
に対して略同軸線上にある前記平面がノッチされている前記第２の端部、及び
（Ｂ）前記導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置され、前記複数の略
同形の永久磁石における前記ノッチされた第２の端部によって形成される環状チ
ャネル内に配置されている前記導電性ワイヤコイル、を有するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は略円筒形物体と共に使用可能な電磁音響トランスジューサ、及び円筒形物体の長手軸を横断する方向に放射状に配置された磁石の並列アレーに埋め込まれたコイルを有する電磁音響トランスジューサを用いて、略円筒形物体の共振周波数を確定し、物理的特長、特に傷を識別する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
政府規制及び産業基準において要求される検査は、通常、鋼管及びアルミニウム管や、また加圧状態で使用されるような長尺、略円筒形の棒材や、例えば締付け具のような高トルク状態で使用されるような長尺、略円筒形の棒材などを含む、商業的に製造された製品に対して実施される。これらの規制や基準の対象は強度、精度、及び傷の存在や重大度のような材料の属性を制御する質的及び量的な基準である。
【０００３】
明らかに、何らかの傷が存在すれば最終製品の安全性及び構造保全に悪影響を与え得る。したがって、これらの金属材料や商業的に製造される製品の傷部分を経済的に識別し、これらの物質の傷部分を取り除き再利用することが好ましい。加えて、傷が生じる原因関係を識別して工程及び機械類を修正、改善する必要があるので、その取り除かれた部分を再使用する前に詳しく検査するようになる。
【０００４】
金属物品の製造及び精製、鋳造工程自体、また誤った機械類やその製造及び精製において使用する他の装置によってその製品物中に１つ又はそれ以上の不適格な傷ができ得ることは公知である。現在の品質制御計画に従う現在通常に実施されている方法では、少数の、しかし統計的に有意な部品数における傷のために連続生産全体を拒否の対象としている。これらの傷を直接的に検出し、よって製造装置又は工程における１つ又はそれ以上の問題を間接的に識別しようとする経済的見地からの要求がある。一旦識別され、修正されれば、製造業者は傷のある金属構造物の将来における生産、またテストにおける拒否材料の規模を最小化するようにでき得る。傷の位置の確認及び傷の型の決定において種々のテスト手法を使用することによって種々の度合いの経済的利益を得ることも可能である。
【０００５】
現在、製造業者が別途に又は組み合わせて金属構造物内の傷を決定するために実施できる、当業者には公知で利用可能な種々のテスト手法がある。一般に、これらは破壊及び非破壊テスト手法の２種に分けることができる。破壊テストにおいては、被検金属品の一部を選んで破壊する。この部分は全く傷のない部分であって、金属部の残りの選択されなかった部分が多くの不適格な傷を含んでいることもある。金属品の一部の破壊テストの結果のその品物の残りの部分への拡張性には大きな差がある。
【０００６】
非破壊テストの主要な利点は金属構造物全体を調べ、傷部分のみを分離して取り除き、よって傷のない部分は即使用できることである。典型的に、金属構造物内の傷部分が限定されたら、テスト手続き及び・又は装置がその傷の位置を確認するための何らかの手段を採り、その金属構造物はそれに従って印をつけられる。非破壊テスト手法では、渦電流、磁束漏れ、エックス線、超音波、中性子減損等を使用するものを含み広範囲の技術がある。商業的に実施的な非破壊テストが実施される場合、当業者は典型的に製造ライン内にこれらの非破壊技術を少なくとも１つ実施する装置を１つ又はそれ以上配置して、金属構造物の正常生産の間に特定の金属構造物の傷のある部分を確認する。
【０００７】
当業者は一般に金属構造物の非破壊テストにおいて音響共振手法を利用することに気づいている。音響共振の利用は他の従来的な非破壊テスト技術に比べて重要な有利性を提供できる。しかし、従来の音響共振手法は、特に接触型トランスジューサを使用する場合のその適用における困難性と費用のために成功に限度があった。
【０００８】
接触型トランスジューサは、その機械的性質のために、そのようなトランスジューサは必然的に金属構造物と機械的接触をするので、その金属構造物の固有共振に影響を与える。テスト装置の供試金属部への影響はマグリオリの米国特許番号５，０６２，２９６号、及びマグリオリ他の米国特許番号４，９７６６，１４８号に開示されるような共振中の変化を説明する複合信号及び処理計画に通じる。これらの発明は、典型的に接触型トランスジューサであるセラミック圧電トランスジューサを採用している。供試金属部との接触を要しない非破壊テスト装置によれば、供試金属構造物が分離して共振し、よって接触型信号処理に関連する複雑性及び不確定性がなくなるので、好ましい。
【０００９】
非破壊テストは、オータニ他の米国特許番号６，１９０，１０８号、ハンコック他の米国特許番号６，１６４，１３７号、ジョンソン他の米国特許番号５，８９５，８５６号、６，１１９，５２２号、及び６，１７０，３３６号（これらはまとめてジョンソンと呼称する）、及びパッサレッリの米国特許番号５，８０８，２０２号に開示されている電磁音響トランスジューサ（ＥＭＡＴ）によって実施することができる。オータニはシートコイルを使う装置による破裂波手法を開示している。ハンコックは送信ＥＭＡＴで送出され一対の受信ＥＭＡＴで感知される二重の円周方向音波を使う管用の手法を開示している。ジョンソン及びパッサレッリは、典型的に略環状のオリフィス又は通孔に放射状に配列された交互極性の１つ又はそれ以上の磁石の平面に、供試の略円筒形の物体の長手軸を横断して配列されるＥＭＡＴを開示している。そして電線がそれぞれの磁石アレーに配置される。パッサレッリとジョンソンは、供試金属構造物内の種々のレベルで傷検出をすることのできるＥＭＡＴを開示している。この詳細な検出は、管状から略固体の供試物体に移る時に、ハンコックに比べて有意な利点となる。
【００１０】
パッサレッリは、それぞれの平面対が、送信及び受信コイル及び信号処理と共に、送受信回路として働き、供試金属構造物内に共振周波数を生じるフィールドを提供することを開示している。鋼及びアルミニウムのフライスにおける現地試験から集めた観察によれば、供試金属部からトランスジューサコイルへの距離に不適格な減少があることが示される。つまり、直径又は最大横断寸法で１インチ以上の大きな金属構造物のサンプルサイズでギャップ距離が減少し、約８分の１から８分の３程のより小さな直径の金属構造物で実施されるような、相互に実施的な最近距離に送受信コイルを位置づけることのできるレベルが限られてしまう。一方、ギャップ距離が実施的に最小化されれば、金属構造物へのフィールドカップリングが最大化され、隣接するトランスジューサへ漏れるクロストークが最小化されるという電気的利点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
典型的なフライス条件下では、パイプやチューブのような金属構造物はトランスジューサに相対的に１分間に約３００フィートのスピードで運動する。通常のフライス条件の場合、金属構造物が側方移動、又は振動し、この振動によって実際には金属構造物が機械的にトランスジューサに接触するようになる。つまり、ギャップ距離が減少すると、供試金属構造物がトランスジューサと接触してしまうリスクが大きく、トランスジューサを破壊し、フライス操作に危険をもたらすことになってしまう。よって、パッサレッリとジョンソンの１つの欠点は、金属部からトランスジューサのコイルへのギャップ距離を許容距離に従来技術では実施的に減少できないために、継続的フライス条件下で、より大きな材料を取り入れると同時にトランスジューサと共に物質構造物を安全に通すことを確保できないことである。
【００１２】
前述の従来技術の設備の別な欠点は、トランスジューサと共に使われるコイルの幾何学は薄く幅広なアスペクト比を有し、ソレノイドコイルが自然にそのＺ軸に沿ってコイル端から略フィールド放射をすることである。フィールドを締付けてコイルの性能を高めるためにコイルの厚さを増加すれば少しは改善がみられる。しかし、大きな問題はコイルの厚みを増すには磁石をさらに遠くに動かさなければならないことである。磁石の提供する磁界は金属構造物からの距離の二乗で減少するので、これは満足できるトレードオフではない。
【００１３】
従来技術のＥＭＡＴのあと１つの問題は、送信コイルから受信コイルへの直接結合信号の最小レベルを達成するには、コイルを相互により離れて配置できるようにコイルの巻数を減少しなければならず、よって傷サイズの解像度を減少することになる。共振音のフィールドが横断する経路の長さはより長く、従って共振下の物質のボリュームを増加する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
供試金属構造物内に共振を確立するための音波の送信及び誘導のための第１のＥＭＡＴと、その誘導音波共振を受信するための第２のＥＭＡＴの一対のＥＭＡＴからなる非破壊テスト装置が開示される。それぞれのＥＭＡＴは磁石の切欠き端によって形成されるチャネル又はチャンバ内に据付される電気コイルで前記磁石が供試金属構造物の長手軸を横断する放射状に配置される環状アレーを形成するように配置されているコイルを含む。チャネル又はチャンバによって提供されるコイルの新規な埋込み据付によって、従来技術に比べてコイル間に見られる電気クロストークを略減少することができ、金属構造物がコイルに相対的に縦運動をしている時にコイルがその被検金属構造に接触する確率を減少する。
【００１５】
実施においては、傷のない金属構造物の特定の基準共振周波数は公知、又は計算できる。送信コイルにパワーが供給され、磁石の力と組み合わせた時に、それによって金属構造物が共振周波数を含む範囲内で振動するようになる。磁気構造物がトランスジューサに相対的に通り過ぎ、傷が検出されると、共振周波数が傷のない金属構造物用に確立された範囲外に動かされる。この動かされた共振周波数は傷のない金属構造物用の範囲の上であるかも知れないし又は下であるかもしれない。その金属構造物の誘導された共振周波数は受信トランスジューサ、そして、アナログ−ディジタルコンバータを通してコンピュータに送信されたＡＭ検出器のような電力・電流センサーによって感知される。この送信トランスジューサと受信トランスジューサの対に関連するものとして、傷部分の共振周波数がコンピュータによって決定された無傷の範囲外に出た時の傷点の印を金属構造物につけることのできる一種の任意な印付け装置がある。
【００１６】
本発明は、それぞれのトランスジューサと共に配置されたそれぞれの磁石のアレーがその中にチャネル又はチャンバを有するように構成されている。このチャネル内には電気コイルが配置されている。この電気コイルの配置は、供試金属構造物に最も近い磁石の外面にコイルが据付されている従来技術とは、異なる。この新規な送信トランスジューサ及び受信トランスジューサの磁石によって形成されるチャネルまたはチャンバ内のコイルの配置によって、（１）送信トランスジューサ及び受信トランスジューサが１つのハウジング内に密閉されテストされている金属構造物の近くに配置されることができるようになり、また（２）送信トランスジューサと受信トランスジューサの間のクロストークが略減少するようになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のトランスジューサの構成を使う利点としては、（１）アスペクト比に関しては、コイルのアスペクト比を、永久磁石のアレーを金属構造物からより離す様に動かさずに、コイルを厚く、狭くすることで変化することができるようになる（つまり、同じコイル巻き密度、又は巻数が維持され、従って、コイルの誘導特性が幅広のコイル設計により良く適合するようになる）、（２）より密な音響フィールド分散に関しては、より狭いコイルが、送信トランスジューサによって作られる狭い音響フィールドを作るようになり、コイルがその中に据付されるチャネルを測定要求による解像度を最大化するように動かすことができるようになる、（３）ソレノイドコイルサイドローブ減少に関しては、磁石のチャネル内に据付されたソレノイドコイルはクロストーク（つまり、送信トランスジューサから受信トランスジューサに直接結合する電磁信号）を有意に減少し、この磁石のチャネル内のコイルの据付は、パッサレッリの米国特許番号５，８０８，２０２号に開示されたような従来技術構成からクロストークを１０倍以上のファクターで減少するシールドを有効に提供する、（４）磁石のリフトオフ距離に関しては、本発明のチャネル内の磁石構造は、磁石の縁、又はスカートをテストされている金属構造物のより近くにコイルの厚さに等しいファクターで持ってきて磁石のリフトオフを減少させ、よって、これらのスカートで磁石とコイルは相互に一列になっているわけではなく、磁石が提供する追加的フィールドが変換効率を改善するものであるが、その磁石によって供給される直流バイアスをその距離の２乗のファクターで強化する、（５）コイルの保護に関しては、柔軟なコイルが相対的に堅固な磁石スカート内に埋込まれるので供試金属構造物がコイルに接触するようなことがあった場合のコイルの衝撃損傷からの保護を増強させることができるようになる、また、（６）１つのトランスジューサからの多周波数操作に関しては、コイルのインピーダンス特性が安定化するので、１つのトランスジューサを多周波数帯で駆動することが実施的になり、１つのトランスジューサの送受信対が多数のサンプル横断面又は深さを検査できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の新規な方法は、送信及び受信電気コイルを切欠き、溝、又は他の方法でチャネル化した、供試金属構造物に最も近い磁石の端部によって形成されたチャネルまたはチャンバ内に据付することに関し、前記磁石は非破壊テストに適応されるＥＭＡＴ対の環状アレーを形成するように配置されていることを特徴とするものである。移動した位置において１つ又はそれ以上の電磁誘導共振周波数を検出した場合は、テストされている金属構造物に１つ又はそれ以上の傷が存在することを示す。ＥＭＡＴ対の使用によって、伸張した金属構造物の軸に沿って継続的に走査ができるようになり、よって、本発明の傷検出装置は移動製造ラインにおいて効用を発するようになる。ＥＭＡＴは金属部に接触しないようになっているので、それによって、超音波共振発生の接触法に特有な機械的インピーダンスの不適合によって起こる偶発的接触を除いて、ひずみが最小化される。ＥＭＡＴの使用によって、金属構造物の振動周波数の精密なセグメント化した範囲又は走査ができるようになり、そのモード選択性は傷検出システムの周波数解像度を希釈し得る寄生音波振動の発生を最小化する。
【００１９】
金属構造物内の共振の発生及び検出のためのＥＭＡＴの利用は他の超音波傷検出システムと根本的に異なるものである。ＥＭＡＴは非破壊テストにおける音波共振の利用を妨げていた従来技術の問題点を効果的に処理する。音波共振の発生にＥＭＡＴを使用することによって、他の全ての公知の超音波ベースの傷検出装置に比べて信号忠実度が数段上となる利点がある。
【００２０】
本発明のシステムの操作は共振の原理の利点をフルに利用する。オペレータは、特定のアプリケーションに適当な大きさのトランスジューサを選択、導入した後、物質の型と形状をコンピュータに入力する。するとコンピュータ内のソフトウェアは、無傷状態のときのその金属構造物の共振周波数を得るためにその金属構造物にかけるべき周波数の範囲を計算できる。そしてソフトウェアはトランスジューサ駆動エレクトロニクスの周波数走査を（選択した範囲を通して）制御することができる。またコンピュータは、アナログエレクトロニクスでの実行を進め、どの周波数でその金属構造物が共振するべきかという計算に基づいて共振の検索を繰り返す。共振が確立されたら、傷の無傷条件及び傷条件の両方の許容周波数偏差が確立され、シーケンスによる周波数走査を実施することができる。金属構造物の無傷条件の許容限度を確立する無傷金属構造物と決定された物のために範囲が設定される。この周波数走査は供試金属構造物の軸を素早く分割し、環状物等の場合は、識別可能なセグメントに分け、よってその環状物の長手軸に沿った異常の位置を見つけることができるようになる。オペレータ又は自動システムはその後テストが継続している間に傷の位置に印をつけることができる。テスト中に金属構造物を止める必要は全くない。
【００２１】
本発明の傷検出装置の操作原理は円筒形体における傷の決定に特定の効用を有する。しかし、本発明の構成は円筒形の幾何学にのみ限定されるように意図されているものではないことを理解する必要がある。物質的又構造的品質が健全又は正常であると考慮される金属構造物はすべて典型的な領域内に入る共振周波数を出す振動モードを有するものである。この領域外の共振行動は質的又は量的傷の存在を示す何らかの範囲の異常を表現するものである。
【００２２】
チューブやロッドに振動モードを発生する特定の場合において、これらの型の構造物は数学的に無限長の一様な円筒として扱われる。供試の構造は無限長の一様な円筒の構造にぴったりと適合しないかもしれないが、その構造物が共振する周波数において適度に正確な予想を立てることができる。ロッドやチューブにおける傷検出のために本発明と共に使われる型の振動エネルギーは軸性せん断又は軸性せん断様のモードを含む。これらの方位方向の波数ベクトルはこれらの軸性せん断振動を特徴づける。軸方向に沿った粒子運動はそのロッド又はチューブの円周の周りの波長の絶対必要な数を含む。従って、トランスジューサ内に取り込まれた磁石の数はそのロッド又はチューブの円周の周りの絶対必要な波長の数を決定する。
【００２３】
共振の近似的周波数を計算するために次の式を用いる。
【数１】
2004521321.tif 000003
但し、Ｆは共振の周波数を表し、Ｂは二次ベッセル関数の根値を表し、Ｖは金属構造物内の水平せん断波の音速を表し、Ｒは金属構造物の半径を表す。本発明のそれぞれのＥＭＡＴ内において、２６個の異なる磁石が１３の波長を産出する。例えば、金属構造物が直径２５．４ミリメーター、音速（Ｖ）ミクロ秒あたり３．０４ミリメータの６０６１アルミニウムロッドの伸張した長さを含む場合、Ｂの最初の５つの解答が、それぞれの周波数に対応する共振用の周波数の結果と共に下記の表に示されている。これらの共振がアルミニウムロッドのどの位置で起こるかに関する位置もまた記されている。
【表１】
2004521321.tif 000004
上記の表は、共振周波数が約５７６ＫＨｚと決定されると、傷はアルミニウムロッドの外層内に検出されることを示す。約７６８ＫＨｚの周波数では、傷はアルミニウムロッドの表面下でロッド又はチューブの．６５インチの直径に対応する深さのあたりで検出される。９２０ＫＨｚの周波数では、傷は再びロッドの表面下で．５４インチの直径の深さのあたりで検出される。同様に、１，０６１ＫＨｚの周波数では、傷はロッドの表面下で．４６インチの直径のあたりで検出される。最後に、１，１９７ＫＨｚの周波数では、傷はロッドの表面下で．４０インチの直径のあたりで検出される。
【００２４】
上述の共振周波数は、傷の存在によって影響を受ける他、アロイ組成、温度、及びロッドの直径の分散によっても影響を受けることを理解する必要がある。傷の存在によって起こる共振への影響は、他の影響と比べて有意に異なる効果を周波数に表現する。傷が存在すると、共振信号が突然位置を変えるようになる。この周波数の変化はそのロッドを通して伝播されている音の速度の減少によって起こる。せん断波の固体内における音速（Ｖ）は次の式で決定される。
【数２】
2004521321.tif 000005
但し、μは内部応力を表し、ρは質量密度を表す。内部応力μは傷の近くで相当に影響を受け、それが共振周波数に反映されている。
【００２５】
再び上記の表を参照して、金属構造物の表面レベルにある傷を発見するためには、約５７６ＫＨｚの範囲に前もって設定したＥＭＡＴを使えば良い。しかし、本発明のＥＭＡＴでは金属構造物のより深い部分の傷をも同時に決定することができる。つまり、ＥＭＡＴは同時に７６８ＫＨｚの範囲で操作して表面下．３５インチ当たりの傷を検出でき、９２０ＫＨｚの範囲で操作して表面下．４６インチ当たりの傷を検出でき、また他のより高い周波数範囲で実質上金属構造物全体にわたる傷検出データを得ることができる。
【００２６】
特に図面を参照して、図１は本発明の傷検出装置を収容するハウジング１０を示す。図２は図１の線２−２に沿った図１のトランスジューサアセンブリを通しての横断面の透視図から見た上述のハウジングを示す。ハウジング１０は穴１４と協力して働くボルト型のファスナを使って外部構造物に据付できるベース１２を含む。ハウジング１０は通孔１６を含む。鋼スリーブ１８がこの通孔１６内に滑合して据付されている。この鋼スリーブ１８の境に第１の磁石列２０と第２の磁石列２２が据付されている。磁石という用語は永久磁石及びフェライト物質その他の磁化できる物質で別々に又は組み合わせて物品を形成するものの意味で使われている。第１の磁石列２０は複数の第１の直列磁石２４を含み、第２の磁石列２２は複数の第２の直列磁石２８を含む。好ましい実施例において、それぞれが縦の中心軸に相対的に放射状で実質上一様のスペースで配置された２６個の第１の直列磁石２４がある。第１の直列磁石２４の数は特定のアプリケーションによって変化できる。縦の中心軸２６は通孔１６の中心を通る。第１の直列磁石２４は円形パターン、又はアレー、全体を完成し、その第１の直列磁石２４のそれぞれは略同じ大きさ及び組成のものである。第１の磁石列２０の磁石は、１つおきに、同じ列のすぐ隣接する磁石に相対的に特定の第１の直列磁石２４のＮ極とＳ極が反対になるように、配置されている。つまり、第１の直列磁石２４は交互極性（Ｎ−Ｓ）アレーになっている。この好ましい実施例の第２の直列磁石２８の数もまた２６個である。第１の直列磁石２４と同様、第２の直列磁石２８の数もまた特定のアプリケーションによって変化できる。第２の磁石列２２は第１の磁石列２０と、略平行な面のアレーで、並列配置されている。第２の直列磁石２８は第１の直列磁石２４と軸的にアラインされておらず、代わりに角度を有して配置されている。つまり、アレー間で数度アラインメントから軸的に回転している。実施において、２つの２６個の磁石のアレーの場合、２６個の第１の直列磁石２４のそれぞれが相互に１３．８４６度ずつ離れて位置し、この配置は第２の直列磁石２８に関しても同様なので、この角度配置は約６．９２度となる。
【００２７】
第１の磁石列２０と第２の磁石列２２はハウジング１０内に区分３４されて収容されている適正な電子部品３０と電気的に接続する。これらの電子部品３０はコンピュータ（図示省略）のような必要なオペレーティング構造物に適性に接続する。このコンピュータは金属管状構造物４０の方向指示矢３８で表される移動経路に相対的にハウジング１０の近くでしかしその下流に据付されたスプレーペイントメカニズムのような印付け装置３６を駆動する。典型的なフライス条件下では、この金属管状構造物４０は通孔１６を１分間に約３００フィートの速度で通過する。
【００２８】
第１の磁石列２０と第２の磁石列２２の間に誘電スペーサ４２がある。このスペーサ４２の機能は第１の磁石列２０と第２の磁石列２２の間に固定してスペースを確立することである。
【００２９】
第１の直列磁石２４の内面は円形の通孔４４を形成する。同様に、第２の直列磁石２８の内面は円筒形の通孔４６を形成する。第１の直列磁石２４の内面はそれぞれくぼみを含み、略継続的な第１の環状チャネル又はチャンバ４８が形成されている。コイル用のくぼみ又は環状チャネルまたはチャンバを作る目的のために、切欠きという用語を使ってそれぞれの磁石に物質を加えたり除いたりするようなそれぞれの磁石の変更を表すことにする。同様の略継続的な第２の環状チャネル又はチャンバ５０が第２の直列磁石２８の内面内に形成される。送信コイル５２が第１の環状チャンバ４８内に据付される。受信コイル５４が第２の環状チャネル又はチャンバ５０内に据付される。送信コイル５２と受信コイル５４はそれぞれその上にワイヤが巻かれるコイルスプールを含む。それぞれのコイル５２及び５４のそれぞれのワイヤの終端は一対のリード（図示省略）になっている。これらのリード（図示省略）が電子部品３０に接続する。コイル５２及び５４のワイヤは典型的に微細な直径を有する銅ワイヤからなる。ワイヤの大きさは個人の希望及び特定のアプリケーションにのみ従って選択された特定の大きさで可変である。送信コイル５２と第１の直列磁石２４が送信トランスジューサを構成し、受信コイル５４と第２の直列磁石２８が受信トランスジューサを構成する。
【００３０】
傷検出用のパラメータを与えられれば、基本的な信号処理アルゴリズムとリアルタイムプログラミングに十分な知識を有するコンピュータプログラマーなら誰でも本明細書中に開示されたＥＭＡＴを使って金属構造物４０内の第１のサンプル傷５８や第２のサンプル傷６０のような傷検出のためにコンピュータが実行すべき適正なコンピュータプログラムを設計することができる。コンピュータはプログラム可能な信号発生器（図示省略）に出力信号を送信する。信号発生器の目的はコンピュータからの命令上に掃引正弦波を発生することである。信号発生器はその出力を増幅器（図示省略）に送信する。増幅器は増幅信号を第１の磁石列２０と送信コイル５２からなる送信トランスジューサに送信する。例えば、５８６ＫＨｚと５８８ＫＨｚの間の信号の掃引又は走査は傷が存在するときには可聴傷周波数スパイクを出す結果となる。第２の磁石列２２と受信コイル５４からなる受信トランスジューサは可聴傷周波数スパイクを検出する。受信コイル５４は検出信号を増幅器（図示省略）に供給する。増幅器から、その信号は相及び・又は振幅を復調される（つまり、ＡＭ検出器）。例えば、ダイオード整流器（図示省略）はその信号を正弦波からＤＣ電圧に変換する。ダイオードは出力信号をアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）（図示省略）に与え、それが今度はその信号をコンピュータに送信する。その上、カウンタータイマー（図示省略）が信号発生器の出力を受信する。カウンタータイマー回路は、それぞれの周波数ステップの正確な周期数を数えそれぞれのステップが正確に走査のどこでいつ起こったかを記録しておくことによって、信号発生器とＡＤＣの活動を同期化する。本発明の電磁音響トランスジューサベースの装置が第２のサンプル傷６０のような表面傷を検出すると、周波数のスパイクした又は他の方法でピークした領域が、５８７．２ＫＨｚのような無傷周波数領域からはずれるように移動する。コンピュータはすると検出された傷を記録し、印付け装置３６が適性に活性化されて一定量のペンキ５６をその傷６０とアラインしている金属構造物４０に付ける。好ましい実施例において、ペンキ５６が付けられる領域は略その金属構造物４０内の検出された傷の位置と対応する。この印をつけることによって、検出された傷がその金属構造物４０を製造する製造業者に明らかにわかるようになる。つまり、本発明は金属構造物４０にペンキ５６で印をつけることによって製造業者に注意をさせるものであり、その後、その製造業者はその傷領域をすぐに使用しないようにすることができる。同様の検出及び印付けは、その後の傷にも、傷が移動した共振周波数として現れるので、実施される。
【００３１】
図３は、図３Ａの従来技術９３のサイドローブから図３Ｂの本発明９６のサイドローブへのソレノイドコイルサイドローブの減少を横断面図で示す。パッサレッリの米国特許番号５，８０８，２０２号及びジョンソンの米国特許番号５，８９５，８５６号に開示される従来技術では、コイル９１がそれぞれの磁石９０上に据付される。つまり、供試金属構造物（図示省略）に最も近い磁石の縁に据付される。上述のように、本発明のコイル９５をそれぞれの磁石９４の切欠きによって形成されるチャネル内に据付する方法は、効果的に据付されたコイルにシールドを与え、サイドローブ９６を減少してコイル間のクロストークを有意に減少する（例：従来技術の構造物に比べてクロストーク減少係数が１０以上）。
【００３２】
上述の説明には仕様が数多く含まれるが、これらの仕様は本発明の範囲を限定するものではなく単に本発明の現在好ましい実施例をいくつか示すためのものであると解釈するべきである。例えば、埋込みチャネルは種々の深さ、幅及び形状のものであってもよいし、通孔はより大きな又はより小さな直径のものであってもよい。また磁石の数は供試の略円筒形の金属材料の電磁特性によって増やしてもよく、減らしてもよい。またこの金属材料の周縁は、六角形や八角形のように円形以外の形状であってもよい。
【００３３】
本発明を特定の実施例と共に上述してきたが、当業者は多くの代替、変更、変化が明らかに可能であることに気づくであろう。従って、前述の説明の意図はそれらの代替、変更、変化を全て、添付した請求項及びその法的同等物の精神及び範囲内に含まれるものとして、包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、１つのハウジングと共に据付された送信トランスジューサと受信トランスジューサを含む本発明の変換器アセンブリの等角投影図である。
【図２】図２は図１のトランスジューサアセンブリの線２−２に沿った横断面図である。
【図３】図３の図３Ｂは本発明の埋込みコイルの改善されたフィールド特性を示し、図３Ａの従来技術と比較される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年7月14日(2003.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属構造物の非破壊テスト装置であって、
（Ａ）略円筒形の金属体の外周壁を囲む円形開口を有するハウジングであって、前記略
円筒形の金属体はその長手軸に沿う方向に前記ハウジングを通って移動できるも
のであるハウジングと、
（Ｂ）第１の電磁音響トランスジューサであって、
（１）第１の複数の略同形の永久磁石であって、前記ハウジング内に設置され、第
１のアレーに配置され、反対の極性を有する隣接した磁石の端部を等間隔に
して第１の放射中心の周りに円形開口に沿って略平面放射状に配置され、
；前記第１のアレーは、前記略円筒形の金属体の長手軸を横断する方向に、
第１の放射中心を略同軸線上にした状態で配置され；各前記第１の複数の略
同形の永久磁石は：
（ａ）前記円形開口に近接する第１の端部、及び
（ｂ）前記周壁に対して略直交し隙間がある第２の端部であって、前記第２の
端部は略円筒形の金属体の長手軸に対して略同軸線上にある平面がノッ
チされている、前記第２の端部、
を有する第１の複数の略同形である永久磁石と、
（２）第１の導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置され、前記第
１の複数の略同形の永久磁石における前記ノッチされた第２の端部によって
形成される環状チャネル内に配置されている、第１の導電性ワイヤコイルと
を有する第１の電磁音響トランスジューサと、
を有するものである。
【請求項２】
請求項１記載の金属構造物の非破壊テスト装置は第２の電磁音響トランスジューサを更に有し、前記第２の電磁音響トランスジューサは：
（Ａ）前記第１の複数の略同形の永久磁石と略同形の第２の複数の永久磁石であって、
前記ハウジング内に設置され、第２のアレーに配置され、反対の極性を有する隣
接した磁石の端部を等間隔にして第２の放射中心の回りに円形開口に沿って略平
面放射状に配置され、；前記第２のアレーは、前記第１のアレーに略平行に隣接
され；前記第２のアレーは、前記略円筒形の金属体の長手軸を横断する方向に、
第２の放射中心を略同軸線上にした状態で配置され；各前記第２の複数の略同形
の永久磁石は：
（ａ）前記円形開口に近接する第１の端部、及び
（ｂ）前記周壁に対して略直交し隙間がある第２の端部であって、前記第２の端部
は略円筒形の金属体の長手軸に対して略同軸線上にある平面がノッチされて
いる、前記第２の端部、
を有する第２の複数の略同形である永久磁石と、
（Ｂ）第２の導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置され、前記第２の
複数の略同形の永久磁石における前記ノッチされた第２の端部によって形成され
る環状チャネル内に配置されている、第１の導電性ワイヤコイルと
を有する第２の電磁音響トランスジューサと、
を有するものである。
【請求項３】
請求項２記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記第１のアレーは前記第２のアレーに対して直線上で回転的にオフセットである。
【請求項４】
請求項３記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記磁石の各前記第２の端部の隙間は略不変であり、前記略円筒形の金属体が機械的に前記装置に接触することなく縦に移動することができるものである。
【請求項５】
請求項３記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記第１のアレー及び第２のアレーは夫々２６個の磁石を有するものである。
【請求項６】
請求項５記載の金属構造物の非破壊テスト装置はさらに、
（Ａ）前記第１の導電性ワイヤコイルに接続された信号生成手段と、
（Ｂ）前記第２の導電性ワイヤコイルに接続された信号検出手段と、
を有し、前記信号生成手段は前記第１のアレーの前記チャネルに配置された前記第１の導電性ワイヤコイルに電気励磁信号を与え、前記信号検出手段は前記第２のアレーの前記チャネルに配置された前記第２の導電性ワイヤコイルの電気応答信号を感知するものである。
【請求項７】
請求項１記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記導電性ワイヤコイルに印加される電気励磁信号は、前記略円筒形の金属体に振動を生じさせるものである。
【請求項８】
請求項２記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記略円筒形の金属体の音響振動は前記第２の導電性ワイヤコイルを電気的に励磁させるものである。
【請求項９】
電磁音響トランスジューサであって：
（Ａ）複数の磁石であって、ハウジング内に設置され、アレーに配置され、反対の極性
を有する隣接した磁石の端部を等間隔にして放射中心の周りに円形開口に沿って
略平面放射状に配置され；前記円形開口は略円筒形の金属体に対して通孔を提供
し、；前記アレーは、前記略円筒形の金属体の長手軸を横断する方向に、前記放
射中心を略この長手同軸線上において配置され、；各前記複数の磁石は、：
（１）前記円形開口に近接する第１の端部、及び
（２）前記略円筒形の金属体の前記周壁に対して略直交し隙間がある第２の端部で
あって、前記第２の端部は略円筒形の金属体の長手軸に対して略同軸線上に
ある平面がノッチされている、前記第２の端部、
を有する前記複数の磁石と、
（Ｂ）第２の導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置され、前記複数の
磁石における前記ノッチされた第２の端部によって形成される環状チャネル内に
配置されている、第１の導電性ワイヤコイルと
を有する第２の導電性ワイヤコイルと、
を有するものである。
【請求項１０】
改良型の電磁音響トランスジューサであって、複数の略同形の永久磁石であって、ハウジング内に設置され、アレーに配置され、反対の極性を有する隣接した磁石の端部を等間隔にして放射中心の周りに円形開口に沿って略平面放射状に配置され、；各前記複数の略同形の永久磁石は、：前記円形開口に近接する第１の端部及び前記周壁に対して略直交し隙間がある第２の端部を有する前記複数の略同形の永久磁石と、導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置された前記導電性ワイヤコイルと、を有する改良型の電磁音響トランスジューサにおいて、前記改良は、：
（Ａ）各略同形の永久磁石の前記第２の端部であって、前記略円筒形の金属体の長手軸
に対して略同軸線上にある前記平面がノッチされている前記第２の端部、及び
（Ｂ）前記導電性ワイヤコイルであって、前記ハウジング内に設置され、前記複数の略
同形の永久磁石における前記ノッチされた第２の端部によって形成される環状チ
ャネル内に配置されている前記導電性ワイヤコイル、を有するものである。
【請求項１１】
請求項２記載の金属構造物の非破壊テスト装置において、前記第１の導電性音響トラデューサは誘電体スペーサによって前記第２の導電性音響トランスデューサから隔てられている。
【国際調査報告】
2004521321.tif 000046
2004521321.tif 000047