JP2010528282A - 電磁音響式コンベンタ - Google Patents

Abstract

電磁音響式トランスデューサ（EMAT）は、特には材料及び物品の超音波検査等の非破壊検査分野に係り、ロール状シート、切断鋼及び管のテストに使用可能である。電磁音響トランスデューサは、基部を有するケースと、少なくとも１つのインダクタと、セラミック板の形で基部の後側からインダクタを覆うプロテクタとを具備しており、テストにおいて基部の下面と対象物との間にエアクッションを作動中に生成する、空気の供給のために、開口が基部に形成される。本発明によれば、セラミック板は、基部の下面に設置されており、セラミック板の外側輪郭線が、基部の開口を包含するような寸法を有しており、開口がセラミック板に形成され、開口は、ケース内の開口と同軸である。セラミック板の形状は、基部の下面の形状と実質的に一致しており、セラミック板の面積は、基部の下面の面積と実質的に等しい。本発明の別の実施の形態において、基部は、セラミックにより形成され、プロテクタと一体で形成される。本発明は、インダクタとプロテクタ間の音響接続のマイナスの影響を減少し、テストにおいて、トランスデューサと対象物間の電気及び電磁接続を減少させ、この連結により引き起こされる電気及び電磁妨害のレベルを減少させることにより、超音波検査の感度、妨害に対する保護及び信頼性を向上することを可能にする。

Description

本発明は、特には材料及び物品の超音波検査等の非破壊検査分野に係り、ロール（コイル）状シート（薄板）、切断鋼及び管のテストに使用可能である。
に関する。

RU2295125（ロシア特許）による電磁音響式トランスデューサ（振動子）（EMAT）は既知であり、該トランスデューサは、１つ又は一組のインダクタ（誘導子）と、非鉄磁性金属製のケースと、インダクタの周りでケースに貼り付けられた誘電性プロテクタ（保護体）を具備しており、誘電性プロテクタがセラミックプロテクタであることがより多い。既知のトランスデューサは、ケースと、インダクタと、損傷に対してインダクタを保護する目的のセラミック板の形態のプロテクタとを具備する。プロテクタは、インダクタを機械的損傷から単に保護しており、一般的に、１つ又は一組のインダクタの寸法に比べるとむしろ小さい寸法であり、インダクタに対応する形状を有する。

プロテクタの作動平面は一般的に、ケースの作動面と同じレベルにあるか、又はケースの中に少し収容される。プロテクタは、基部内部にあり、その基部の中に貼り付けられると言うことができる。小型のプロテクタの寸法の観点において、一般的にその作動面は、テストにおいて、対象物の表面形状に合致することは必要ではない。その様な案において、プロテクタの寸法の最小化は、ケースに接触し相互作用する周辺部の範囲を減少させ、全体としてEMATの稼動寿命に有利に影響する。しかしケースの寸法の減少は、１つの又は一組のインダクタの寸法により制限される。

検査される対象物の形状に合致するので、基部は、圧縮空気出口を含んでおり、空気クッションを形成することに責任がある。空気クッションを形成し且つ既知のトランスデューサにおける作動効率を決定する、主要要素は、基部である。基部は、幾何学形状の観点から、超音波チェックの実施中に、検査された対象物に最も近似する要素である、EMATの要素であるので、基部の作動面の形状は常に、テストにおいて対象物に対応する。

その様なEMATの欠点は、プロテクタの寸法が小さいこと及びインダクタとプロテクタ間の音響的漂遊（stray）接続の発生により引き起こされる音響的妨害のレベルがむしろ高いことにある。

電流のパルスが強い磁場の作用領域に一般的に設置されたインダクタを通り流れる場合に、ローレンツ力は、インダクタに作用し、その力は、インダクタ電流とインダクタの巻き数と作動領域における磁場の誘導値との積に比例する。

インダクタとプロテクタ間の必然的な音響的接続の実際の発生により、弾性的な振動は、後者（プロテクタ）内に発生し、接近して設置されるプロテクタの境界に伝播し、その後これらの境界から反射し、インダクタ区域に戻り、そこに電気的パルスを発生させ、それは、テストにおいて対象物からの有効信号の受信を妨害し得る。

その様なEMATの欠点はまた、トランスデューサの金属製細部（基部）と検査される対象物との間における漂遊（stray）電磁接続の発生により引き起こされる妨害に対する防御がむしろ低いことである。

EMATとテストされる物品との間における電磁接続の超音波テスト実行における有効性における可能な負の影響の理由は、以下のものである。

輸送ラインにおいて移動する細部の超音波検査を実施する場合に、電流は後者（輸送ライン）の表面を流れ、これらの電流は、輸送システム（装置）要素の潜在的不均質性と、ロールされた金属及び管の最新の製造に関する磁場特性の高い強度により引き起こされる。シートの各特定部分のポテンシャル（エネルギレベル）は、EMATの適用の観点から、「ゼロ（０）点」のポテンシャルとは基本的に異なる値を有し得る。従って、金属基部がテストにおいて対象物に接触する場合に、このことは、EMATと入力デバイス（プリアンプ（前置増幅器））とを接続するケーブルのシールド及びトランスデューサの金属要素を通る均一化電流の流れの条件を生成する。これらの現象により引き起こされる妨害のかなりの大きさと幅広い周波数のスペクトルは、超音波検査の感度及び信頼性の基本的な低下をもたらし得る。

妨害発生の高い確率は、金属基部と被検査物との短時間の接触においてだけ発生するのではなく、それらの間の小さな間隙においてもまた発生し、妨害発生の高い確率は、テストにおいて基板−金属のキャパシタンス（静電容量）的接続により引き起こされる。

妨害源はまた、トランスデューサと電子システムを接続するケーブルのシールドにおけるサウンディング（測量）パルスにより誘発される電流、及び被検査物の表面上のインダクタにより誘発される電流により生成可能である。空気クッションのための小間隙の特性の場合において、強いキャパシタンス的接続が、被検査対象物の表面と金属基部間に発生する。この接続は、シールド及び接地回路、特には、プリアンプ（前置増幅器）をEMATに接続するケーブルのシールドにおける電流共振を励起させ得る。この特定のタイプの妨害は、受信信号のＡエボルベント（evolvent）におけるサウンディングパルスの基本的な「遅れ」として出現する。

１つ又は一組のインダクタに対応する寸法及び形状を有するプロテクタを有するEMATの別の欠点は、その様な構造の機械的、温度的及び侵食性の耐久性の低さである。

エアクッションは、温度及び磨耗に対するトランスデューサの効果的保護を目的とする。同時に、テストにおいて、金属は、凹凸、表面上の突起状瑕疵、公称状態からの形状的な逸脱を有する可能性がある。このことは、EMATと物品との直接的機械的接触の可能性を決定し、結果として、物品の損傷の可能性を決定する。更に、酸化物（酸化カルシウム等）の固体粒子は、エアクッションを形成する圧縮空気の流れにより剥がされ、高速まで加速されるので、前記固体粒子は、トランスデューサの作動面に、侵食性で破壊的な影響を与える。

全ての実際の多くのケースにおいて基部金属は、プロテクタの材料であるセラミックと比較するとより柔らかい材料である。切り込み溝、擦り傷及び局部的磨耗は、エアクッションの効果を激しく低下させる。エアクッション領域にある材料の物理的特性の相違は、トランスデューサの不均一な機械的で侵食性の磨耗を形成する。セラミックの周辺部と基部間の接着接合部は、特に強い侵食作用に晒される。高温の超音波検査の作業において、「加熱−冷却」サイクル（繰り返し）も、使用材料の膨張係数の相違により、EMATの使用寿命にマイナスの影響を与える。

本発明は、インダクタとプロテクタ間の音響的接続のマイナスの影響を減少し、テストにおいて、トランスデューサと対象物間の電気及び電磁接続を減少させ、この接続により引き起こされる電気及び電磁妨害のレベルを減少させることにより、超音波検査の感度、妨害に対する保護及び信頼性を向上することを目的とする。

本発明は、エアクッションの効率を改善し、トランスデューサの機械的強度及び侵食耐性を向上させることにより、トランスデューサの製作上の適応性を向上させ、そのサービス特性を改善することを別の目的とする。

上記の目的は、電磁音響トランスデューサであって、基部を有するケースと、少なくとも１つのインダクタと、セラミック板の形で基部の後側からインダクタを覆うプロテクタと、を具備する電磁音響トランスデューサにおいて、テスト下において基部の下面と対象物との間にエアクッションを作動中に形成する、空気の供給のために、開口が、基部に形成されており、セラミック板は、基部の下面に設置されており、セラミック板の外側輪郭線が、基部の開口を囲むような寸法を有しており、開口がセラミック板に形成されており、開口は、ケース内の開口と同軸である、電磁音響トランスデューサにより実現される。

セラミック板の面積は、基部の下面の面積と実質的に等しく、セラミック板の形状は、基部の下面の形状と実質的に一致することが好ましい。

セラミック板は、基部の下面に堅固に固定されることが好ましい。

基部の開口の数及び基部の開口に対応するセラミック板の開口の数は、２以上であることが好ましい。

更には、セラミック板の厚みは、一定であり、インダクタのタイプと寸法、励起され及び／又は受信された弾性的振動のタイプと特性、環境条件及び超音波検査の必要な感度に依存して、０．１〜５ｍｍの範囲にあることが好ましい。

上記の目的は、電磁音響トランスデューサであって、基部を有するケースと、少なくとも１つのインダクタと、基部の側部からインダクタを覆うプロテクタと、を具備する電磁音響トランスデューサにおいて、プロテクタは、セラミック板の形態を有しており、基部の開口が、テストにおいて基部と対象物との間にエアクッションを作動工程中に形成する、空気の供給のために形成されており、基部がセラミックにより製作形成され且つプロテクタと一体で形成される、電磁音響トランスデューサにより実現される。

本発明の電磁音響トランスデューサのセラミックプロテクタは、エアクッションを共に形成し且つEMATの作動上の耐性を決定する、要素である。テストにおける対象物の攻撃的な影響の区域に存在する材料の均一性及び、摩擦、劣化、機械的損傷、侵食、温度の影響に対するセラミックの高い耐力を有する特性は、EMATの稼動上の耐久力の向上において、強く断言できるプラスの役割を提供する。

図１は、本発明の電磁音響トランスデューサの第１の実施の形態の模式的断面図を示す。 図２は、本発明の電磁音響トランスデューサの第２の実施の形態を示す。

図１に示されるように、電磁音響式トランスデューサ（EMAT）は、被検査対象物６に対面する側からそれに固定されるケース１（記号的に図示される）と、空気供給用の開口５を有する基部２と、基部内に設置されたインダクタ（誘電子）３と、セラミックプロテクタ（保護体）４とを具備する。EMATの他の要素、例えば、コンセントレイター（集信装置）、磁気回路、接続ケーブル等は、便宜上から図示されない。

基部２は、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成され、セラミックプロテクタ４は、好適には一定の厚みのセラミック板の形で形成される。プロテクタ４を形成するセラミック板は、その周辺部が基部２の開口５を囲むような寸法で形成される。セラミック板の面積は、基部２の下面の面積と実質的に等しく、セラミック板の形状は、基部２の下面の形状と実質的に一致することが好ましい。セラミック板は、基部２の下面に、例えば、接着等により、堅固に固定される。開口がセラミック板に形成されており、これらの開口は、基部２の開口５と同軸である。基部２の開口の数及び基部の開口に合致するセラミック板の開口の数は、２つ以上であることが好ましい。

セラミック板（プロテクタ４）の構造の厚み及び材料は、下記の条件を満たさなければならない。
Ｃ₀＜＜１／（２πｆ₀）²・Ｌ_eq
ここで、
Ｃ₀は、稼動位置におけるテストにおけるのEMATと対象物との間のキャパシタンス（静電容量）
ｆ₀は、サウンディングパルス・スペクトルにおける中心周波数
Ｌ_eqは、「被検査対象物−事前増幅器−ケーブルシールド−EMAＴケース」回路の等価誘導係数
である。

ロール状シートの検査を目的とする平坦EMATプロテクタに関して、Ｃ₀は、平面キャパシターの等式により計算される。
Ｃ₀＝εε₀Ｓ／ｄ
ここで、
εは、基部材料の非電導（誘電）率
ε₀は、誘電定数〜8.85×１０^-12Ｆ／ｍ
Ｓは，誘電板（基部）の正方形面積
ｄは、誘電板の厚み
である。

セラミック板の十分な厚みは、インダクタのタイプと寸法、励起され及び／又は受信された弾性的振動のタイプと特性、環境条件及び超音波検査の必要な感度に依存して、０．１〜５ｍｍの範囲にあることが分かる。

プロテクタ４の比較的大きな寸法は、トランスデューサの自然音響ノイズを減少させる。大きな経路において、プロテクタ内で励起されるノイズ信号エネルギの基本的な減少は、確保される。場合によっては、例えば、ロール状シートの検査において、有益な信号解析は、セラミック板（プロテクタ４）のエッジから反射される寄生性パルスの出現のかなり前に完了する。

トランスデューサと被検査物品との間における電磁接続の影響の安定化及び減少は、それらの間の誘電性セラミック板の存在により引き起こされ、テストにおいて、EMATと対象物間のキャパシタンス的接続の基本的な減少及び導電的接続を除去することを確保する。

従って、本発明のEMATプロテクタの機能は、拡張され、インダクタの通常の保護なしで、プロテクタは、エアクッション及び被検査対象物の攻撃的な影響−侵食性、機械的、温度的影響−に対するトランスデューサの全作動表面の保護を形成する機能を有する。

更に、本発明のプロテクタは、寄生的音響信号を抑制可能にして、テストにおいて、対象物からEMATをガルバニック的に遮蔽することを可能にし、EMATと被検査物品間のキャパシタンス的接続を安定させ、減少させる。

図２は本発明の第２の実施の形態を示しており、本発明は、より広い範囲においてさえも、テストにおいて、EMATと対象物間においてキャパシタンス的接続の減少を促進する。本発明のこの実施の形態では、上記の実施の形態とは違って、基部２とプロテクタ４は、セラミックで一体的に形成される。これは、スクリーニング回路における共振現象を回避し、より広い範囲において、音響的妨害を抑制することを実際に保障できる。

実行されたテストの結果として、既知のトランスデューサと比較して、本発明のEMATの稼動寿命は、約２５％向上し、の音響ノイズレベルは、６〜８ｄＢ減少したことが分かる。

Claims (8)

1. 電磁音響トランスデューサであって、基部を有するケースと、少なくとも１つのインダクタと、セラミック板の形で基部の後側から前記インダクタを覆うプロテクタと、を具備する電磁音響トランスデューサにおいて、
   テストにおいて前記基部の下面と対象物との間にエアクッションを作動中に生成する、空気の供給のために、開口が前記基部に形成されており、
   前記セラミック板は、前記基部の前記下面に設置されており、前記セラミック板の外側輪郭線が、前記基部の開口を包含するような寸法を有しており、開口が前記セラミック板に形成され、前記開口は、前記ケース内の開口と同軸である、ことを特徴とする電磁音響トランスデューサ。
2. 前記セラミック板の面積は、前記基部の下面の面積と実質的に等しい、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁音響トランスデューサ。
3. 前記セラミック板の形状は、前記基部の下面の形状と実質的に一致する、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁音響トランスデューサ。
4. 前記セラミック板は、前記基部の下面に堅固に固定される、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電磁音響トランスデューサ。
5. 前記セラミック板は、前記基部の下面に接着させられる、ことを特徴とする請求項４に記載の電磁音響トランスデューサ。
6. 前記基部の開口の数及び前記基部の開口に対応する前記セラミック板の開口の数は、２以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁音響トランスデューサ。
7. 前記セラミック板の厚みは、インダクタのタイプと寸法、励起され及び／又は受信された弾性的振動のタイプと特性、環境条件及び超音波検査の必要な感度に依存して、０．１〜５ｍｍの範囲にある、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁音響トランスデューサ。
8. 電磁音響トランスデューサであって、
   基部を有するケースと、少なくとも１つのインダクタと、前記基部の側部から前記インダクタを覆うプロテクタと、を具備する電磁音響トランスデューサにおいて、
   前記プロテクタは、セラミック板の形態を有しており、テストにおいて前記基部と対象物との間にエアクッションを作動工程中に形成する、空気の供給のために、前記基部の開口が形成されており、
   前記基部は、セラミックにより製作形成され、前記プロテクタと一体で形成される、ことを特徴とする電磁音響トランスデューサ。

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