JP2004333496A - 広帯域音響を介する赤外線欠陥検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造体内の欠陥を検出する方法、このような方法を実施する装置が提供される。
【解決手段】構造体１１内の欠陥を検出する方法は、広帯域音響信号の放射を介して構造体内に機械的エネルギーを誘導し、所定の時間間隔に亘って構造体の複数の画像を取り込む、ことを含む方法であって、複数の画像の各画像は、複数の行および列内に配置された複数の画素から構成され、各画素は、構造体１１の部分により放射された赤外線エネルギーの強度を示す。構造体内の欠陥を検出する装置１０は、広帯域音響エネルギー信号を発生するように適合された音響周波数発生器１５と、広帯域音響エネルギー信号を構造体に伝達するように適合された音響エネルギー源１３と、複数の位置において構造体により放射される赤外線エネルギーの量を検出し複数の画像として記録するための光学装置１７と、画像を処理するための画像処理装置３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域音響励起を介して構造体内の欠陥を検出するための方法、およびこのような方法を実施するための装置に関する。より詳細には、本発明は、広帯域音響エネルギーの放射を介して機械的エネルギーを構造体内へ伝え、そのような励起によって生じる構造体からの赤外線エネルギーの後続の放射を光学的に記録する方法に関する。

欠陥検出の技術内では、単一周波数音響信号の放射を介して構造体内に機械的性質を誘導することが知られている。次に、構造体を画像化またはそうでなければ調査して、そのような励起の結果として構造体内に生じる赤外線放射を検出することが可能である。

残念ながら、単一周波数の使用では、構造体全体を検査する能力が実質的に制限される。

従って、関連技術の欠点を克服する、単一周波数音響エネルギーの放射を介する欠陥検出を改善するための装置、およびこの装置を使用する方法が、必要とされている。

従って、本発明の目的は、構造体内の欠陥を検出する方法を提供することであって、この方法は、広帯域音響信号の放射を介して構造体内に機械的エネルギーを誘導し、所定の時間間隔に亘って構造体の複数の画像を取り込むことを含み、複数の画像の各画像は、複数の行および列内に配置された複数の画素から構成され、各画素は、構造体の部分により放射された赤外線エネルギーの強度を示す。

本発明に従うと、構造体内の欠陥を検出するための装置は、広帯域音響エネルギー信号を発生するように適合された音響周波数発生器と、広帯域音響エネルギー信号を構造体に伝達するように適合された音響エネルギー源と、複数の位置において構造体により放射される赤外線エネルギーの量を検出し複数の画像として記録するための光学装置と、画像を処理するための画像処理装置とを備える。

本発明の主要な目的は、広帯域音響励起を介して誘導された機械的エネルギーの赤外線検出を用いて、部品内、特に機械加工された部品内の欠陥を検出する装置およびこの装置を使用する手段を提供することである。好ましい実施態様では、本発明の方法は、ファンブレード、圧縮機ブレード、およびガスタービン内、特にニッケルチタン、鋼、およびチタン合金から製造された部品内の、欠陥の検出に適用される。赤外線検出は、広帯域音響エネルギーを部品内に導入することにより促進される。導入されたエネルギーは、構造上の欠陥源内および周りの温度の上昇を引き起こし、これは、赤外線画像装置を用いて視覚的に検出できる。後続の画像は、次に、実時間で画像処理されて出力画像を表示できる。どのようにこの検出が達成されるかの詳細は、より詳細に以下に説明する。

図１を参照すると、本発明の欠陥検出システム１０が例示される。広帯域機械的エネルギーが、広帯域音響エネルギー源１３を用いて、短時間、好ましくは、０．１秒間から２秒間、最も好ましくは約１．５秒間、構造体１１（複合材、金属など）内で誘導される。好ましい実施態様では、音響エネルギーは、音響周波数発生器１５により音響エネルギー信号の形態で発生され、１ｋＨｚから１ＭＨｚの間の広いスペクトルに亘ってエネルギー源１３から放射される。ここで使用されるように、「広帯域」という用語は、所定のスペクトルに亘って広がる複数の周波数から構成される信号のことを言う。好ましくは、そのようなスペクトルは、約１ｋＨｚから約１ＭＨｚの区域に広がる。

図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、好ましい入力音響エネルギープロフィールの周波数プロットおよび時間プロットが例示される。図７Ａに示されるように、入力信号は、周波数領域において、１０ｋＨｚから５０ｋＨｚの間の相対的に一様な分布の周波数から成る。代替(alternate)音響エネルギー発生器は、インパルス型トリガー源による刺激を通してほぼ連続したスペクトルエネルギーを提供できる。このトリガー源により増加された帯域幅は、ガスタービンブレードおよびディスクなどの複雑な幾何学形状部品を考慮する、よりいっそう大きな欠陥検出能力を提供できる。

音響エネルギーは、亀裂および層間剥離などの構造体１１の欠陥特徴部を励起する機械的振動を生成する。欠陥特徴部の相対的移動が、赤外線エネルギーの放射を引き起こす熱を生成し、この赤外線エネルギーは、光学装置１７を用いて検出され、画像処理装置３によって保存および処理できる一連の画像として保存される。好ましい実施態様では、光学装置１７は、赤外線カメラおよび光ファイバーカメラの少なくとも一方である。好ましくは、光学装置は、ＣＣＤ（容量結合放電）装置を利用する。このような装置は、赤外線の範囲において特に感度が高い。欠陥特徴部の励起は、欠陥の位置、構造体の幾何学的形状、および音響エネルギーの強度およびスペクトルに依存する。機械的エネルギーの構造体を通る移動は、周波数依存性を有する。欠陥に対する完全な評価を保証するために、広帯域エネルギー源が必要となる。単一周波数エネルギー源の使用は、構造体全体の検査可能性を制限することになる。広帯域音響エネルギーの使用に加えて、少なくとも２つの非調和関連周波数を放射するエネルギー源１３を利用することも可能である。ここで使用されるように、「非調和関連(non-harmonically related)」という用語は、他方の整数倍でない少なくとも２つの周波数のことを言う。

図８Ａおよび図８Ｂを参照すると、好ましい非調和関連周波数入力音響エネルギープロフィールの時間プロットおよび周波数プロットが例示される。図８Ｂに示されるように、入力信号は、周波数領域において、２つの周波数スパイクから構成されており、一方のスパイクは、２０ｋＨｚを中心とし、他方のスパイクは、３０ｋＨｚを中心とする。さらに、任意の数の非調和関連周波数を使用できる。

音響エネルギーの導入後に、画像処理装置３を介する実時間画像処理が、光学装置１７により集められた赤外線画像データに適用される。最初に、構造体１１の背景画像２０が、図２を参照して例示されるように、機械的エネルギーを導入する前に取得される。好ましい実施態様では、画像２０は、行および列内に配置された複数の画素から構成される。背景画像２０は、より十分に以下に説明するように、後続の画像内で表面状態のむらを除去するのに使用される。後続の画像は、光学装置１７により取り込まれ、互いにおよび背景画像と一致するとともに関連付けできる。好ましい実施態様では、複数の画像が、既知の時間間隔で取り込まれる。この画像化方法の結果として、一連の記録された画像の各画像内の各対応画素値は、時間に亘って取り込まれた構造体１１の表面の部分から放射された赤外光の強度を表す。

図３を参照すると、例示的な単一画素に対する記録された値のグラフ３０が例示される。この実施例では、画素のｙ軸強度値は、温度読み取り値に変換されている。好ましい実施態様では、滑らかな曲線３１が、画素データにあてはめられている。このような曲線３１を調べることにより、画像内の各画素に対して最大発熱率(heat rate)変化を計算することができる。この処理によって、入力エネルギーの低減が可能であり、信号対雑音比が向上される。好ましい実施態様では、背景画像２０から導出される画素値は、各後続の値から減算され、それによって、励起前の構造体１１の状態からの変化だけが、記録される。一旦、曲線３１が、各画素に対して計算されると、後続の画像は、各画素曲線３１から計算できる。例えば、図４を参照すると、画像４０が例示されており、ここでは、各画素は、励起中の適切な時間に選択された温度変化の導出値に割り当てられている。同様に、図５を参照すると、画像５０が例示されており、ここでは、各画素は、励起が終止した後の適切な時間に選択された温度変化の導出(derivative)値に割り当てられている。時間に亘って各画素に対して曲線３１を計算した後に、複数の画像が、画像処理装置３によって生成され、表示または照会できる。画素データの最も直接的な表示は、任意に選択された時間に各画素に赤外光放射の大きさを示すように生成された画像である。このような画像を計算し、観察することにより、表面下の欠陥が存在する深さを測定できる。表面下により深く欠陥が存在すればするほど、機械的エネルギーが生成する欠陥の音響励起が赤外線放射として現れるのには、より長くかかる。

入力エネルギーの必要量低減のための付加的な手段は、より良好な結合機構である。詳細には、エネルギー源１３が構造体１１に接触する物理的な仕方は、音響エネルギーがエネルギー源１３から構造体１１に伝達される効率に影響する。構造体内への機械的エネルギーの伝達は、結合条件に全く依存する。従って、平面とは異なる構造体では、結合機構の設計が重要である。好ましい実施態様では、特注の剛性のある（すなわち、複合材、金属）結合器(couplers)が、構造体の幾何学的形状を入力源に適合させる。また、エネルギー伝達が、構造体１１と同一または類似の材料がエネルギー源１３に使用されるとき、さらに最適化される。そのような場合は、エネルギー源１３および構造体１１の両方の音響インピーダンスが、ほぼ同一になる。

エネルギーを構造体内へ導入する別の実施では、浮動先端部(floating tip)結合機構を用いる。これは、音響源のオフノーマル(off-normal)位置合わせを可能とする。この場合は、付加的な結合が、必要とされることはない。図６Ａを参照すると、エネルギー源１３の実施態様が例示される。信号搬送器(carrier)６１が、音響周波数発生器１５から音響信号を受け取り、それを信号搬送器６１と物理的に接触する先端部６３に伝達する。先端部６３を構造体１１と接触するように配置することにより、音響信号が、構造体１１に伝達される。この実施態様では、先端部６３は、固定して取り付けられているので、先端部６３と構造体１１の間の接触表面領域を最大にする位置は１つしか存在しない。好ましい実施態様では、エネルギー源１３は、図６Ｂを参照して例示されるように、浮動先端部構成を備える。浮動先端部構成では、先端部６３は、信号搬送器６１と物理的に接触していない。その結果、先端部６３は、信号搬送器６１周りに自由に枢動または回転する。このような構成によって、先端部６３が、先端部６３と構造体１１の間に最大面積の接触を与えるように枢動できるので、エネルギー源１３を構造体１１と接触させて位置合わせする際に、より大きな柔軟性が得られる。

さらに、空気結合超音波装置または誘導結合装置などの代替の音響発生器が、エネルギー源１３として利用でき、それによって、エネルギー源１３と構造体１１の間の物理的な接触を確立する必要が解消される。

明らかなように、本発明に従うと、本願で上述された目的、手段、および利点を十分に満足する、広帯域音響励起を介して構造体内の欠陥を検出するための方法、およびこのような方法を実施するための装置が提供された。詳細には、本発明の目的をさらに満足させるために、平行ビーム受信などのここに開示されている任意の数の技術が結合できると考えられる。本発明は、その特定の実施態様の文脈で説明したが、他の代替物、変更物、および変形物が上述した説明を読んだ当業者には明らかとなるであろう。従って、特許請求の範囲の広い範囲に入るように、これらの代替物、変更物、および変形物を含むものである。

本発明の欠陥検出システムの図である。 本発明の欠陥検出システムにより記録された構造体の背景画像を示す図である。 本発明の欠陥検出システムにより記録される例示的な画素に対する記録された画素値のグラフである。 本発明の欠陥検出システムにより実時間で計算された構造体の例示的な導出画像を示す図である。 本発明の欠陥検出システムにより実時間で計算された構造体の例示的な導出画像を示す図である。 本発明の音響源の好ましい実施態様を示す図である。 本発明の音響源の代替の好ましい実施態様を示す図である。 周波数領域内の本発明の好ましい音響信号を示すグラフである。 時間領域内の本発明の好ましい音響信号を示すグラフである。 時間領域内の本発明の好ましい音響信号の２つの周波数成分を示すグラフである。 周波数領域内の本発明の好ましい音響信号の２つの周波数成分を示すグラフである。

符号の説明

３…画像処理装置
１０…欠陥検出システム
１１…構造体
１３…広帯域音響エネルギー源
１５…音響周波数発生器
１７…光学装置
２０…背景画像
３０…グラフ
３１…曲線
４０、５０…画像
６１…信号搬送器
６３…先端部

Claims (28)

1. 広帯域音響信号の放射を介して構造体内に機械的エネルギーを誘導し、
   所定の時間間隔に亘って構造体の複数の画像を取り込む、
   ことを含む、構造体内の欠陥を検出する方法であって、複数の画像の各画像は、複数の行および列内に配置された複数の画素から構成され、各画素は、構造体の部分により放射された赤外線エネルギーの強度を示すことを特徴とする方法。
2. 前記機械的エネルギーを誘導することは、
   広帯域音響信号を発生し、
   発生された音響信号を音響源を介して構造体に導入する、
   ことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記音響信号を導入することは、
   音響信号を構造体と物理的に接触するように配置する、
   ことを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記広帯域音響信号を発生することは、１ｋＨｚから１ＭＨｚの間のスペクトル内の周波数を有する音響信号を発生することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 前記広帯域音響信号を発生することは、１０ｋＨｚから５０ｋＨｚの間の周波数スペクトルから成る音響信号を発生することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記広帯域音響信号を発生することは、少なくとも２つの非調和関連周波数から成る音響信号を発生することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
7. 前記発生することは、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と、３０ｋＨｚを中心とする第２の周波数とにおいて信号を発生することを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記広帯域音響信号を発生することは、所定の長さの時間、音響信号を発生することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
9. 前記所定の長さの時間は、０．１秒間から２秒間であることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記所定の長さの時間は、約１．５秒間であることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記複数の画像を取り込むことは、
    機械的エネルギーを誘導する前に構造体の背景画像を取り込み、
    背景画像内と少なくとも１つの付加的な画像の各画像内の各対応画素が、異なる時間に構造体の部分により放射される赤外光の強度に等しい値を有するように、付加的な各画像が背景画像と一致する、少なくとも１つの付加的な画像を取り込む、
    ことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 前記複数の画像を形成する前記複数の画素の各画素に対して曲線を計算することをさらに含み、それによって、各曲線が、異なる時間の各時間における複数の画像内の単一画素位置に記録された各強度から計算されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記構造体は、ファンブレード、圧縮機ブレード、およびガスタービン部品から成る群より選択されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 広帯域音響エネルギー信号を発生するように適合された音響周波数発生器と、
    広帯域音響エネルギー信号を構造体に伝達するように適合された音響エネルギー源と、
    複数の位置において構造体により放射される赤外線エネルギーの量を検出し複数の画像として記録するための光学装置と、
    画像を処理するための画像処理装置と、
    を備えることを特徴とする、構造体内の欠陥を検出するための装置。
15. 前記音響エネルギー源は、
    広帯域音響エネルギー信号を伝達するための信号搬送器と、
    伝達された広帯域音響エネルギー信号を受け取り、広帯域音響エネルギー信号を構造体に伝達するための先端部と、
    を備えることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記先端部は、信号搬送器と接触することを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 前記先端部は、信号搬送器周りに枢動するように適合されることを特徴とする請求項１５記載の装置。
18. 前記先端部は、構造体を形成する第２の材料に実質的に類似した第１の材料から構成されることを特徴とする請求項１５記載の装置。
19. 前記第１および第２の材料は、ニッケル、ニッケル合金、チタン、鋼、およびチタン合金から成る群より選択されることを特徴とする請求項１８記載の装置。
20. 前記広帯域音響エネルギー源は、非接触および限定的接触源から成る群より選択されることを特徴とする請求項１４記載の装置。
21. 前記広帯域音響エネルギー源は、空気結合超音波装置および誘導結合装置から成る群より選択されることを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 前記光学装置は、ＣＣＤ装置および光ファイバー装置から成る群より選択されることを特徴とする請求項１４記載の装置。
23. 前記広帯域音響エネルギー信号は、１ｋＨｚから１ＭＨｚの間のスペクトルに広がることを特徴とする請求項１４記載の装置。
24. 前記広帯域音響エネルギー信号は、１０ｋＨｚから５０ｋＨｚの間のスペクトルに広がることを特徴とする請求項２３記載の装置。
25. 前記広帯域音響エネルギー信号は、少なくとも２つの非調和関連周波数から成ることを特徴とする請求項１４記載の装置。
26. 前記広帯域音響エネルギー信号は、２０ｋＨｚを中心とする第１の周波数と、３０ｋＨｚを中心とする第２の周波数とから成ることを特徴とする請求項２５記載の装置。
27. 前記広帯域音響信号は、約１．５秒間の継続時間を有することを特徴とする請求項１４記載の装置。
28. 前記構造体は、ファンブレード、圧縮機ブレード、およびガスタービンから成る群より選択されることを特徴とする請求項１４記載の装置。