JP2008545123A - 超音波減衰量を使用して材料特性を決定する方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
上式で、fは周波数、αは得られた減衰スペクトル、dは超音波パルスが進行した距離、Aref(f)は減衰が小さい(無視してよい)基準材料で得られた信号の振幅スペクトル、A(f)は試験対象の振幅スペクトルである。減衰スペクトルαが、基準材料に対する相対減衰測定値になることに注意されたい。振幅スペクトルを以下に説明するようにモデルとフィッティングさせる場合には、材料特性を評価するのに絶対減衰スペクトルを必要としない。基準材料が何らかの既知の減衰量を提示する場合、そのような減衰量は単純に式(1)のArefから除去される。
α(f)=α0+bfn (2)
上式で、nは周波数ベキ乗、α0は周波数と無関係の信号強度の変動を明らかにするパラメータ、bは材料特性に関連する物理的減衰機構を表す。モデルの2つのパラメータα0、bどれもが曲線を定義することを理解されたい。ある曲線との減衰スペクトルのフィッティングの程度は別の曲線について比較される。フィッティングの程度が最適の曲線は、当技術分野で周知の方法で、モデルとの減衰スペクトルの最良フィッティングに決定される。フィッティングの結果、減衰パラメータα0及びbが決定される。
α(f)=α0+αfm+bfn (3)
上式で、m及びnは、それぞれ吸収及び散乱に関する周波数ベキ乗である。同様に、パラメータa及びbは、材料特性に関してかかわりのある2つの機構の係数である。吸収及び散乱の一般によく認められているモデルによれば、mは約0.2から約1.5であり、nは約1.5から約4の間である。再び、堅牢性のためにm及びnは、フィッティング中は固定されたままであることが好ましく、またあまりに近接すべきではない。両方の周波数ベキ数nとmが近接している場合には式(2)を使用しなければならず、nは、かかわりのある両方の機構に関する実効的な周波数ベキ数であり、この場合、各機構からの寄与を識別することができない。試験対象の物理的特性を計算するために、ただ1つ又は複数のパラメータが必要になりうることを理解されたい。
上式でcは、材料及び細孔形状に固有の比例定数である。
Claims (27)
- 対象の材料特性を決定するために超音波減衰量の測定値を用いる方法であって、
(a)超音波検出器からの相互作用信号を前記対象上の検出位置において、前記対象中を進行する際に減衰されて前記検出位置に突き当たる広帯域超音波パルスに応じて受信するステップと、
(b)振幅スペクトルを得るために、前記減衰パルスに対応する前記相互作用信号の一部分を時間領域から周波数領域に変換するステップと、
(c)減衰スペクトルを得るために前記振幅スペクトルを基準振幅スペクトルと比較するステップであって、前記基準振幅スペクトルが、前記(a)ステップ及び前記(b)ステップ又はそれらの等価物を伝搬広帯域超音波パルスに関して前記対象と等価の回折特性を有する基準片に適用することによって生成され、実質的に減衰がない、ステップと、
(d)減衰パラメータを得るために、周波数依存減衰のモデルとの前記減衰スペクトルの最良フィッティングを決定するステップと、
(e)減衰量によって決まる対象の材料特性を計算するために前記減衰パラメータを使用するステップと
を含む方法。 - 前記(a)ステップ及び前記(b)ステップ又はそれらの等価物の基準片への前記適用が、既知の減衰パラメータを有する基準片を選択するステップと、前記基準片の振幅スペクトル内の減衰量を補正するために既知の前記減衰パラメータを使用するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記(a)ステップ及び前記(b)ステップ又はそれらの等価物の基準片への前記適用が、実質的に減衰がない基準片を選択するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記基準片を選択する前記ステップが、前記試験対象と合致する形状を有し、前記試験対象と合致する超音波速度を有する材料から成る基準片を選択するステップを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記検出位置に突き当たる前記広帯域超音波パルスの単一の表示に対応する前記相互作用信号の一部を識別することによって前記相互作用信号の部分を決定するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記部分を決定する前記ステップがさらに、前記検出位置に突き当たる前記広帯域超音波パルスの単一の表示に対応する前記相互作用信号の一部を選択するための窓選択関数を適用するステップを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記窓選択関数を適用する前記ステップがさらに、前記表示を前記窓内の中心に置くために前記相互作用信号との超音波パルスの標準プロファイルの相互相関を使用するステップを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記部分を決定する前記ステップが、前記相互用信号内での前記部分のサーチを狭めるために、前記パルスの単一のエコーを含む前記相互作用信号の粗い時間窓を決定するための前記試験対象についての予備知識を使用するステップを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記受信するステップ及び前記変換するステップが、前記対象からの複数の相互作用信号に繰り返し適用され、前記方法がさらに、前記複数の信号の平均値を計算するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 時間領域と周波数領域の両方で拒否基準を使用して前記エコー及び振幅スペクトルのそれぞれを確認するステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 前記減衰スペクトルの最良フィッティングを決定する前記ステップが、前記試験材料と前記基準材料の間の周波数と無関係の信号強度偏差を明らかにするモデルとの最良フィッティングを特定するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記最良フィッティングを特定する前記ステップが、前記減衰スペクトルのフィッティングの測定値を次式の形の曲線と比較するステップを含み、
α(f)=α0+afm+bfn
上式で、α0は信号強度の偏差を明らかにする任意の振幅オフセット、m及びnは前記減衰のそれぞれの基本的な機構に関連する周波数のベキ乗、パラメータa及びbは材料特性に関してかかわりのある機構からの寄与を表す、請求項11に記載の方法。 - 前記パラメータaがゼロである、請求項12に記載の方法。
- 前記減衰スペクトルをフィッティングする前記ステップが、m及びnを固定したままで前記減衰パラメータを変化させるステップを含む、請求項12に記載の方法。
- モデルとの前記減衰スペクトルの最良フィッティングを決定する前記ステップが、減衰パラメータを得るために前記減衰スペクトルの導関数を用いる、請求項11に記載の方法。
- 前記減衰パラメータを前記対象の特性と関連づけるために較正曲線を使用するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記材料特性が多結晶固体中の結晶粒径である、請求項1に記載の方法。
- 前記材料特性が複合材料の多孔度である、請求項1に記載の方法。
- コンピュータ可読の変調された搬送波信号と、
請求項1に記載の方法を実施するためのプログラム命令を実行するために前記搬送波信号に符号化される手段と
を備える物品。 - 請求項1に記載の方法を実施するためのプログラム命令を符号化するコンピュータ可読のメモリを備える物品。
- 対象の材料特性を決定するために超音波減衰量を測定するシステムであって、
(a)広帯域超音波パルスを前記対象内に放出し、前記対象中を伝搬した後に前記パルスを検出するための超音波パルス発生及び検出構成と、
(b)前記検出された超音波パルスの相互作用信号をデジタル化するための受信器と、
(c)信号プロセッサであって、
i 前記検出されたパルスの単一の表示に対応する相互作用信号の一部を、振幅スペクトルを得るために時間領域から周波数領域に変換し、
ii 前記振幅スペクトルを、前記対象と等価の回折特性を有する基準片から既知の減衰量を有する基準振幅スペクトルと比較することによって減衰スペクトルを計算し、
iii 前記対象の特性を決定するのに使用される減衰パラメータを決定するために前記減衰スペクトルをモデルにフィッティングさせる信号プロセッサと
を備えるシステム。 - 前記信号プロセッサがさらに、前記振幅スペクトルを生成するために、前記対象からの1つ又は様々な位置での複数の相互作用信号の平均値を計算するように適合される、請求項21に記載のシステム。
- 前記信号プロセッサがさらに、前記振幅スペクトルを生成するために、前記複数の相互作用信号の時間領域又は周波数領域平均化処理を実施するように適合される、請求項22に記載のシステム。
- 前記超音波パルス発生及び検出構成が、広帯域超音波パルスを発生するための発生レーザと、前記広帯域超音波パルスの表示を検出するための光検出システムに結合された検出レーザとを備える、請求項21に記載のシステム。
- 前記発生レーザ及び検出レーザが前記試験対象の同じ側に向けられる、請求項24に記載のシステム。
- 前記対象中を通る異なる経路に沿った減衰量に対応する減衰スペクトルを得るために、前記対象の表面全体にわたってスキャンする制御された動作システムをさらに備える、請求項21に記載のシステム。
- 前記減衰スペクトルが、前記対象の材料特性の画像を生成するために使用される、請求項26に記載のシステム。
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