JP2016173336A - 超音波探傷システム、超音波探傷方法及び航空機部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査対象の損傷を非破壊でより確実に検出できるようにすることである。
【解決手段】実施形態に係る超音波探傷システムは、超音波送信部、超音波検出部及び損傷検出部を有する。超音波送信部は、周波数が相対的に低い第１の超音波及び前記第１の超音波に対して相対的に周波数が高い第２の超音波を検査領域に向けて送信する。超音波検出部は、前記第１の超音波の前記検査領域における反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を検出する。損傷検出部は、前記第１の超音波の反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波に基づいて前記検査領域における損傷を検出する。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、超音波探傷システム、超音波探傷方法及び航空機部品の製造方法に関する。

従来、航空機等の構造部材を非破壊で検査する方法として超音波探傷法が知られている。具体例として、探傷領域に向けて超音波を発振するアクチュエータと、探傷領域において反射した超音波反射波を受信するためのファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ： Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサとを用いることによって、接着部位又は接合部位における剥離や剥がれ等の損傷の長さを測定することが可能な損傷長測定システムが提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２０１１−１８５９２１号公報 特開２０１４−１９４３７９号公報

超音波探傷検査では、探傷範囲における損傷をより確実に検出できるようにすることが重要である。

そこで、本発明は、被検査対象の損傷を非破壊でより確実に検出できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る超音波探傷システムは、超音波送信部、超音波検出部及び損傷検出部を有する。超音波送信部は、周波数が相対的に低い第１の超音波及び前記第１の超音波に対して相対的に周波数が高い第２の超音波を検査領域に向けて送信する。超音波検出部は、前記第１の超音波の前記検査領域における反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を検出する。損傷検出部は、前記第１の超音波の反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波に基づいて前記検査領域における損傷を検出する。
また、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法は、周波数が相対的に低い第１の超音波及び前記第１の超音波に対して相対的に周波数が高い第２の超音波を検査領域に向けて送信するステップと、前記第１の超音波の前記検査領域における反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を検出するステップと、前記第１の超音波の反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波に基づいて前記検査領域における損傷を検出するステップとを有する。
また、本発明の実施形態に係る航空機部品の製造方法は、航空機部品の補修部位を含む領域にパッチを接着するステップと、前記補修部位を含む領域と前記パッチとの境界面を検査領域として、周波数が相対的に低い第１の超音波及び前記第１の超音波に対して相対的に周波数が高い第２の超音波を前記検査領域に向けて送信し、前記第１の超音波の前記検査領域における反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を、前記検査領域に損傷が発生したか否かを監視するための情報として取得するステップと、前記航空機部品の補修部位を補修することによって補修された航空機部品を製造するステップとを有する。

本発明の実施形態に係る超音波探傷システムの機能を示す機能ブロック図。 図１に示す超音波送信部及び超音波検出部の第１の基本構成例を示す図。 図１に示す超音波送信部及び超音波検出部の第２の基本構成例を示す図。 図１に示す超音波送信部及び超音波検出部の第３の基本構成例を示す図。 低い周波数を有する第１の超音波の反射波の波形の一例を示す図。 高い周波数を有する第２の超音波の波形の一例を示す図。 図１に示す超音波探傷システムにより被検査対象の検査領域における探傷検査を行う場合の流れの一例を示すフローチャート。 図１に示す超音波探傷システムによる損傷の監視対象となる航空機部品に複数の超音波振動子及び複数の光ファイバセンサを配置した例を示す図。 図８に示す航空機部品の左側面図。

本発明の実施形態に係る超音波探傷システム、超音波探傷方法及び航空機部品の製造方法について添付図面を参照して説明する。

（構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る超音波探傷システムの機能を示す機能ブロック図である。

超音波探傷システム１は、超音波を用いて非破壊で被検査対象の探傷を行うシステムである。そのために、超音波探傷システム１は、超音波送信部２、超音波検出部３及び損傷検出部４を有する。超音波送信部２は、被検査対象の超音波を検査領域に向けて送信する機能を有する。超音波検出部３は、超音波送信部２から送信された超音波を検出する機能を有する。損傷検出部４は、超音波検出部３において検出された超音波に基づいて被検査対象の検査領域における剥がれ、剥離又は亀裂等の損傷を検出する機能を有する。

ここで、超音波の周波数に応じた性質について説明する。超音波の周波数に応じた性質を研究した結果、以下のような性質が判明した。以下の性質は材料が金属であるか複合材であるかに関わらず共通するものと考えられる。

周波数帯域が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下の比較的周波数が低い超音波を、損傷が存在する被検査対象に送信すると、損傷部分で反射して生じる反射波の振幅は大きいが、損傷部分を通過した超音波の波形は損傷を検知するために十分な程度には変化しない。特に、周波数帯域が７５ｋＨｚ以上１２５ｋＨｚ以下である超音波を損傷が存在する被検査対象に送信すると、信号対雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が良好な超音波反射波が損傷部分で反射する。このため、周波数帯域が７５ｋＨｚ以上１２５ｋＨｚ以下である超音波を損傷が存在する被検査対象に送信すれば、実用的な精度で超音波反射波の検出が可能となる。

一方、周波数帯域が２００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の比較的周波数が高い超音波を、損傷が存在する被検査対象に送信すると、損傷部分で反射して生じる反射波の振幅は観測が困難な程小さいが、損傷部分を通過した超音波の波形は観測できる程度に変化する。しかも、周波数が低い超音波に比べて、より遠方であっても周波数が高い超音波を観測することができる。特に、周波数帯域が３００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下である超音波を損傷が存在する被検査対象に送信すると、損傷部分を通過した超音波の波形変化を実用的な精度で検出することができる。

以上の研究結果に基づいて、超音波送信部２は、周波数が相対的に低い第１の超音波と、第１の超音波に対して相対的に周波数が高い第２の超音波を被検査対象の検査領域に向けてそれぞれ送信するように構成されている。すなわち、超音波送信部２からは、周波数が５０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下、望ましくは周波数が７５ｋＨｚ以上１２５ｋＨｚ以下である低い周波数を有する第１の超音波と、周波数が２００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下、望ましくは周波数が３００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下である高い周波数を有する第２の超音波が、被検査対象の検査領域に向けて送信される。

一方、超音波検出部３は、低い周波数を有する第１の超音波の検査領域における反射波及び検査領域を通過した高い周波数を有する第２の超音波をそれぞれ検出するように構成されている。

超音波を送信するためには、圧電素子等の超音波振動子が用いられる。一方、超音波を検出するためのセンサとしては、超音波振動子又は光ファイバセンサ等のセンサを用いることができる。超音波振動子をセンサとして用いる場合には、超音波振動子において超音波信号が電気信号に変換される。

一方、光ファイバセンサをセンサとして用いる場合には、光ファイバセンサにおいて超音波信号が光信号に変換される。具体的には、超音波による振動によって光ファイバセンサに微小な歪が生じると、光ファイバセンサの光学特性が歪量に応じて変化する。その結果、超音波信号の振幅に応じた振幅を有する光信号を光ファイバセンサから出力することができる。光ファイバセンサの例としては、ＦＢＧセンサや位相シフトＦＢＧ （ＰＳ−ＦＢＧ： Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｅｄ ＦＢＧ）センサが挙げられる。尚、ＰＳ−ＦＢＧは、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したＦＢＧである。

図２は図１に示す超音波送信部２及び超音波検出部３の第１の基本構成例を示す図である。

超音波のセンサとして光ファイバセンサ１０を用いる場合には、図２に示すように少なくとも１つの超音波振動子１１と、少なくとも２つの光ファイバセンサ１０Ａ、１０Ｂとを用いて超音波送信部２及び超音波検出部３を構成することができる。

具体的には、超音波送信部２を、低い周波数を有する第１の超音波及び高い周波数を有する第２の超音波を被検査対象の検査領域に向けて順次送信する共通の１つの超音波振動子１１を用いて構成することができる。一方、超音波検出部３を、被検査対象の検査領域で反射した、低い周波数を有する第１の超音波の反射波を検出する第１の光ファイバセンサ１０Ａと、被検査対象の検査領域を通過した第２の超音波を検出する第２の光ファイバセンサ１０Ｂとを用いて構成することができる。

第１の光ファイバセンサ１０Ａは、第１の超音波の反射波を検出することができるように、超音波振動子１１の近傍等に配置される。一方、第２の光ファイバセンサ１０Ｂは、被検査対象の検査領域を通過した第２の超音波を検出することが可能な位置に配置される。例えば、第２の光ファイバセンサ１０Ｂを、被検査対象の検査領域を挟んで超音波振動子１１に対向する位置に配置することができる。

図３は図１に示す超音波送信部２及び超音波検出部３の第２の基本構成例を示す図である。

超音波のセンサとして光ファイバセンサ１０を用いる場合には、図３に示すように少なくとも２つの超音波振動子１１Ａ、１１Ｂと、少なくとも１つの光ファイバセンサ１０とを用いて超音波送信部２及び超音波検出部３を構成することもできる。

具体的には、超音波送信部２を、低い周波数を有する第１の超音波を被検査対象の検査領域に向けて送信する第１の超音波振動子１１Ａと、第１の超音波と異なる方向から第２の超音波を検査領域に向けて送信する第２の超音波振動子１１Ｂとを用いて構成することができる。一方、超音波検出部３を、低い周波数を有する第１の超音波の反射波及び被検査対象の検査領域を通過した第２の超音波の双方を検出する共通の１つの光ファイバセンサ１０を用いて構成することができる。

この場合、第１の超音波振動子１１Ａは、第１の超音波の検査領域からの反射波が光ファイバセンサ１０において検出できるように光ファイバセンサ１０の近傍等に配置される。一方、第２の超音波振動子１１Ｂは、被検査対象の検査領域を通過した第２の超音波を光ファイバセンサ１０で検出することが可能となるような位置に配置される。例えば、第２の超音波振動子１１Ｂを、被検査対象の検査領域を挟んで光ファイバセンサ１０に対向する位置に配置することができる。

図４は図１に示す超音波送信部２及び超音波検出部３の第３の基本構成例を示す図である。

超音波のセンサとして超音波振動子１１を用いる場合には、図４に示すように少なくとも２つの超音波振動子１１Ａ、１１Ｂを用いて超音波送信部２及び超音波検出部３を構成することができる。

具体的には、第１の超音波振動子１１Ａから低い周波数を有する第１の超音波を被検査対象の検査領域に向けて送信することができる。一方、第２の超音波振動子１１Ｂにより、第１の超音波と異なる方向から高い周波数を有する第２の超音波を被検査対象の検査領域に向けて送信することができる。そして、被検査対象の検査領域において反射した第１の超音波の反射波及び検査領域を通過した第２の超音波の双方を第１の超音波振動子１１Ａで受信することができる。

つまり、第１の超音波振動子１１Ａに、超音波を受信するセンサとしての機能と、超音波を送信する機能とを兼ね備えることができる。この場合、第１の超音波振動子１１Ａは、超音波送信部２及び超音波検出部３の双方によって共有される構成要素として用いられる。一方、第２の超音波振動子１１Ｂは、超音波送信部２の構成要素として用いられる。

また、第２の超音波振動子１１Ｂは、被検査対象の検査領域を通過した第２の超音波を第１の超音波振動子１１Ａで検出することが可能となるような位置に配置される。例えば、第１の超音波振動子１１Ａ及び第２の超音波振動子１１Ｂを、相互に被検査対象の検査領域を挟んで対向配置することができる。

尚、図２、図３及び図４に示す基本構成を組み合わせて超音波送信部２及び超音波検出部３を構成することもできる。もちろん、図２、図３及び図４に示す基本構成を単位として複数の基本構成を配置することによって超音波送信部２及び超音波検出部３を構成することもできる。

周波数が低い第１の超音波及び周波数が高い第２の超音波としては、指向性のない球面波を用いてもよいが、指向性を有する超音波を用いれば、意図しない方向からの超音波の検出を回避することができる。従って、第１の超音波及び第２の超音波として指向性を有する超音波を用いれば、ＳＮＲ及び精度の向上に繋がる。但し、指向性を有する超音波であっても、実際には超音波の進行方向に広がる。このため、特に第２の超音波を検出するためのセンサについては第２の超音波が伝播する領域に配置すれば、第２の超音波を送信するための超音波振動子１１に完全に対向させなくても第２の超音波を検出することができる。

ＳＮＲ及び精度を向上させる観点から特に好適な超音波としては、ラム（Ｌａｍｂ）波が挙げられる。従って、第１の超音波及び第２の超音波としてラム波を送信することが好適である。ラム波は、超音波の波長の半分以下の薄板を伝搬する波であり、かつ対称モードと非対称モードとが混在する波である。

超音波を検出するセンサについても、受信指向性を有するセンサを用いれば、不要な方向から伝播する超音波の検出を回避し、必要な超音波信号を選択的に検出することが可能となる。従って、超音波の送信素子及びセンサの双方に指向性を持たせることが好適である。但し、超音波の送信素子及びセンサの双方に指向性を持たせる場合には、検出対象となる超音波の伝播エリアと、超音波を検出することが可能なエリアが重なるように超音波の送信素子及びセンサを配置することが必要である。

ＦＢＧセンサ等の光ファイバセンサ１０は、受信指向性を有するセンサの代表例である。従って、図４に示すように２つの超音波振動子１１Ａ、１１Ｂを用いて超音波送信部２及び超音波検出部３を構成すれば、超音波送信部２及び超音波検出部３の構成が簡易となる反面、図２及び図３に示すように、光ファイバセンサ１０をセンサとして超音波送信部２及び超音波検出部３を構成すれば、第１の超音波及び第２の超音波の検出精度を向上させることが可能となる。

損傷検出部４は、被検査対象の検査領域で反射した低い周波数を有する第１の超音波の反射波及び検査領域を通過した高い周波数を有する第２の超音波の双方に基づいて検査領域における損傷を検出する機能を有する。そのために、損傷検出部４には、超音波信号を必要なＳＮＲで検出するために必要な処理を実行する機能も備えられる。

超音波信号の波形を検出するための前処理としては、アベレージング（平均化処理）、ノイズ除去処理及び包絡線検波等の処理が挙げられる。アベレージングを行う場合には、必要な回数だけ超音波の送信及び検出が実行される。そして、複数回に亘って検出された超音波信号が加算された後、平均化される。ノイズ除去処理は、例えば、超音波検出信号からノイズ成分を除去するためのＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）やＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）等を用いたフィルタ処理によって行うことができる。

このようなアベレージング及びノイズ除去処理を前処理として実行すれば、十分なＳＮＲを確保することができる。また、包絡線検波を行えば、ピークの検出精度や波形の解析精度を向上させることができる。

図５は、低い周波数を有する第１の超音波の反射波の波形の一例を示す図である。

図５（Ａ）、（Ｂ）において各縦軸は第１の超音波の反射波を検出するためのセンサによって検出された検出信号の相対振幅（相対強度）を示し、各横軸は第１の超音波の送信タイミングからの経過時間を示す。また、図５（Ａ）は、損傷がない検査領域を対象としてセンサにより検出された第１の超音波の反射波を含む検出信号の波形を示し、図５（Ｂ）は、損傷が存在する検査領域を対象としてセンサにより検出された第１の超音波の反射波を含む検出信号の波形を示す。尚、図５（Ａ）、（Ｂ）において実線は、アベレージング後におけるセンサからの検出信号を示し、一点鎖線はアベレージング後における検出信号の包絡線検波によって得られた検出信号の包絡線を示す。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１の超音波の反射波のピーク位置は、検査領域における損傷の有無及び損傷の位置によって変化する。図５（Ａ）に示す例では、損傷がない場合においても、検査領域に接着された接着物の端部や他の構造物から反射した第１の超音波の反射波が検出されている。そこで、検査領域内における損傷部分で反射した第１の超音波の反射波を識別するために、損傷がない状態における検査領域で反射した第１の超音波の反射波の波形のピークに対応する時刻を予め取得しておくことができる。

検査領域で反射した第１の超音波の反射波は、第１の超音波の送信に使用された超音波振動子１１と検査領域との間における距離、第１の超音波の反射波の検出に使用されたセンサと検査領域との間における距離及び被検査対象中における音速に基づいて、センサの検出信号から抽出することができる。

具体的には、超音波振動子１１と検査領域との間における距離と、センサと検査領域との間における距離との合計が第１の超音波の反射波の伝播距離となるため、音速に基づいて、超音波振動子１１から第１の超音波が送信されてから、検査領域で反射した第１の超音波の反射波がセンサで検出されるまでの時間範囲を見積もることができる。そして、点線枠で示すように、算出された時間範囲における波形の部分を、検査領域で反射した第１の超音波の反射波として検出信号から抽出することができる。

検査領域で反射した第１の超音波の反射波の波形が抽出されると、ピークの検出を行うことができる。ピークの検出は、包絡線を対象として行うことが精度上実用的である。第１の超音波の反射波の波形からピークが検出されると、ピークに対応する経過時間を基準時刻として記録しておくことができる。

そうすると、損傷が生じた場合における第１の超音波の反射波のピーク時刻の基準時刻からの変化量に基づいて、第１の超音波及び反射波の進行方向における損傷の有無及び損傷の位置を検出することが可能となる。具体的には、基準時刻を算出する場合と同様な方法で、損傷が生じた場合における第１の超音波の反射波のピークに対応する経過時間を求めることができる。次に、第１の超音波の反射波のピークに対応する経過時間と基準時刻との差、すなわち、損傷前後における反射波のピーク時刻の変化量を算出することができる。

そして、損傷前後における反射波のピーク時刻の変化量が閾値以上となった場合又は閾値を超えた場合に損傷が存在すると判定することができる。更に、損傷が存在すると判定される場合には、損傷後における第１の超音波の反射波のピーク時刻と音速とに基づいて、第１の超音波の送信に使用された超音波振動子１１と損傷部分との間における距離及び第１の超音波の反射波の検出に使用されたセンサと損傷部分との間における距離を検出することができる。これにより、第１の超音波及び反射波の進行方向における損傷の１次元の位置を検出することができる。

尚、損傷前における第１の超音波の反射波の基準ピーク時刻と、損傷後における第１の超音波の反射波のピーク時刻との差は、検査領域に接着された接着物の端部が剥がれたことに由来して生じたものである。つまり、損傷前には、検査領域に接着された接着物の端部で第１の超音波が反射していたが、接着物の端部が剥がれた結果、損傷後には接着物の端部では第１の超音波が反射せずに、接着物が剥がれた領域と剥がれていない領域の境界で第１の超音波が反射したと考えることができる。従って、損傷前における第１の超音波の反射波の基準ピーク時刻と、損傷後における第１の超音波の反射波のピーク時刻との時間差に基づいて、剥がれる前の接着物の端部から、接着物が剥がれた領域と剥がれていない領域の境界までの距離を計算することができる。

このように、損傷検出部４では、低い周波数を有する第１の超音波の送信タイミングから第１の超音波の反射波がピークを呈するタイミングまでの時間に基づいて、検査領域に存在する損傷の位置を検出することができる。尚、第１の超音波の反射波に基づく損傷の有無の検出や接着物の端部からの剥がれた領域の距離の測定を行わない場合には、損傷がない検査領域を対象とする基準時刻の取得を省略してもよい。

また、損傷が接着物の剥がれではなく検査領域における亀裂である場合のように、損傷前に検査領域で第１の超音波が反射しないような場合においても、損傷がない検査領域を対象とする基準時刻の取得を省略することができる。

図６は、高い周波数を有する第２の超音波の波形の一例を示す図である。

図６（Ａ）、（Ｂ）において各縦軸は第２の超音波を検出するためのセンサによって検出された検出信号の相対振幅（相対強度）を示し、各横軸は第２の超音波の送信タイミングからの経過時間を示す。また、図６（Ａ）は、損傷がない検査領域を対象としてセンサにより検出された第２の超音波を含む検出信号の波形を示し、図６（Ｂ）は、損傷が存在する検査領域を対象としてセンサにより検出された第２の超音波を含む検出信号の波形を示す。尚、図６（Ａ）、（Ｂ）において実線は、アベレージング後におけるセンサからの検出信号を示し、一点鎖線はアベレージング後における検出信号の包絡線検波によって得られた検出信号の包絡線を示す。

図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第２の超音波の波形は、検査領域における損傷の有無によって変化する。そこで、損傷がない状態における検査領域を対象として予め第２の超音波の波形を取得しておくことができる。第２の超音波の波形も、第１の超音波の反射波の波形と同様に、音速と超音波の伝播距離に基づいてセンサの検出信号から抽出することができる。損傷がない検査領域に対応する第２の超音波の波形は、基準波形として記憶しておくことができる。

そうすると、損傷が生じた場合における第２の超音波の波形の基準波形からの変化に基づいて、検査領域における損傷の有無を検出することが可能となる。損傷が生じた場合における第２の超音波の波形の基準波形からの変化の程度は、相互相関係数や２乗誤差等の指標を用いて表すことができる。尚、波形の比較についても包絡線を対象として行うことが精度上実用的である。

損傷が生じた場合における第２の超音波の波形の基準波形からの変化量を表す指標が求められると、指標に対する閾値処理によって損傷の有無を判定することができる。具体的には、波形の変化量が閾値以上となる場合又は閾値を超える場合には、検査領域に損傷が存在すると判定することができる。

このように、損傷検出部４では、高い周波数を有する第２の超音波の波形の変化量に基づいて検査領域における損傷の有無を検出することができる。

尚、損傷検出部４において、検査領域における損傷の有無の検出及び損傷の位置の検出に加えて、剥離や剥がれの長さを測定できるようにしてもよい。損傷長を測定する方法としては、例えば、特開２０１１−１８５９２１号公報に記載された方法を用いることができる。

以上のような機能を有する損傷検出部４は、コンピュータにプログラムを読込ませることによって構築することができる。但し、損傷検出部４を構成するために回路を用いてもよい。コンピュータも電子回路によって構成される。従って、コンピュータを回路の一種と捉えれば、損傷検出部４は、回路によって構成することができると言うこともできる。

（動作及び作用）
次に超音波探傷システム１を用いた被検査対象の超音波探傷方法について説明する。

図７は、図１に示す超音波探傷システム１により被検査対象の検査領域における探傷検査を行う場合の流れの一例を示すフローチャートである。

まずステップＳ１において、超音波送信部２の超音波振動子１１から損傷のない被検査対象の検査領域に向けて周波数が低い第１の超音波が送信される。そして、検査領域で反射した第１の超音波の反射波が超音波検出部３のセンサにより検出される。検出された第１の超音波の反射波を含む検出信号は損傷検出部４に出力される。損傷検出部４では、第１の超音波の反射波のピーク時刻が検出される。検出された第１の超音波の反射波のピーク時刻は基準ピーク時刻として損傷検出部４に記録される。

次に、ステップＳ２において、超音波送信部２の超音波振動子１１から損傷のない被検査対象の検査領域に向けて周波数が高い第２の超音波が送信される。そして、検査領域を通過した第２の超音波が超音波検出部３のセンサにより検出される。検出された第２の超音波を含む検出信号は損傷検出部４に出力される。損傷検出部４では、第２の超音波の波形が検出される。検出された第２の超音波の波形は基準波形として損傷検出部４に記録される。

尚、ステップＳ１及びステップＳ２の順序は任意である。また、第１の超音波の反射波の基準ピーク時刻を損傷の検出に用いない場合には、ステップＳ１を省略してもよい。そして、少なくとも損傷のない被検査対象の検査領域に対応する第２の超音波の基準波形が取得されると、検査領域における損傷の発生の有無を監視することが可能となる。或いは、同様な形状を有する多数の被検査対象の検査領域を対象として順次損傷の有無を検査することが可能となる。

検査を行う場合には、ステップＳ３において、超音波送信部２の超音波振動子１１から周波数が高い第２の超音波が被検査対象の検査領域に向けて送信される。そして、被検査対象の検査領域を通過した第２の超音波が超音波検出部３のセンサにより検出される。検出された第２の超音波を含む検出信号は損傷検出部４に出力される。損傷検出部４では、第２の超音波の波形が検出される。

次に、ステップＳ４において、損傷検出部４は、第２の超音波の波形を基準波形と比較することによって第２の超音波が送信された検査領域に損傷が存在するか否かを判定する。すなわち、第２の超音波の波形と基準波形との間における相違を表す指標に対する閾値処理によって第２の超音波が送信された検査領域に損傷が存在するか否かの判定が行われる。

そして、損傷が存在しないと判定された場合には、損傷が存在すると判定されるまで断続的に周波数が高い第２の超音波の送信を繰返すことができる。或いは、生産ラインで順次製造される航空機部品のように複数の被検査対象物の探傷検査を行う場合には、別の被検査対象物に周波数が高い第２の超音波を送信して検査を開始することができる。

一方、損傷が存在すると判定された場合には、ステップＳ５において、超音波送信部２の超音波振動子１１から周波数が低い第１の超音波が被検査対象の検査領域に向けて送信される。そして、被検査対象の検査領域で反射した第１の超音波の反射波が超音波検出部３のセンサにより検出される。検出された第１の超音波の反射波を含む検出信号は損傷検出部４に出力される。損傷検出部４では、第１の超音波の反射波の波形及びピーク時刻が検出される。

次に、ステップＳ６において、損傷検出部４は、第１の超音波の反射波のピーク時刻と基準ピーク時刻とを比較することによって第１の超音波が送信された検査領域に損傷が存在するか否かを判定する。すなわち、第１の超音波の反射波のピーク時刻と基準ピーク時刻との間における差分に対する閾値処理によって第１の超音波が送信された検査領域に損傷が存在するか否かの判定が行われる。

損傷が存在しないと判定された場合には、第２の超音波の送信によって検査領域において存在が確認された損傷に、第１の超音波が反射していないことになる。このため、ステップＳ７において、送信用の超音波振動子１１の向き及び位置の少なくとも一方が変更される。そして、第１の超音波の反射波の波形及びピーク時刻の取得が再開される。尚、第１の超音波の初回の送信前において送信用の超音波振動子１１の向き及び位置の少なくとも一方を変更するようにしてもよい。

一方、損傷が存在すると判定された場合には、ステップＳ８において、損傷検出部４は、第１の超音波の反射波のピーク時刻に基づいて損傷の位置を検出する。また、損傷が接着物の剥がれである場合には、基準ピーク時刻とピーク時刻との時間差に基づいて、接着物が剥がれた領域の長さを検出することもできる。これにより、被検査対象の検査領域における損傷の有無の確認及び検出された損傷の位置の確認を行うことができる。

次に超音波探傷システム１を用いた損傷の監視を伴って航空機部品の製造を行う方法の例について説明する。

図８は図１に示す超音波探傷システム１による損傷の監視対象となる航空機部品に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０を配置した例を示す図であり、図９は図８に示す航空機部品の左側面図である。

主に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材で構成される航空機部品２０の表面に軽微な損傷が発生した場合、航空機部品２０の補修部位を含む領域に円盤状のパッチ２３を接着して損傷を補修する場合がある。図８に示す例では、パネル２１の一方の面にストリンガ２２を設けた航空機部品２０が補修対象となっている。また、パッチ２３は、ストリンガ２２が設けられないパネル２１の他方の面に接着されている。

このような場合、超音波探傷システム１を用いてパッチ２３の剥がれの有無を監視することができる。具体的には、パッチ２３の剥がれを検出できるように、パッチ２３の周囲に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０を配置することができる。図８に示す例では、第２の超音波を相互に送受信することが可能な範囲内において、パッチ２３を囲む位置に６組の超音波振動子１１及び光ファイバセンサ１０が配置されている。

尚、図８に示す例では、パッチ２３が接着されていないパネル２１の面、つまりパネル２１の反対側の面に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０が貼付けられているが、パッチ２３が接着されているパネル２１の面、つまりパネル２１のパッチ２３側の面に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０を貼付けてもよい。また、パッチ２３の上に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０を貼付けるようにしてもよい。

パッチ２３の剥がれの有無を良好な精度で検出するためには、パネル２１の同じ側の面に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０を貼付けることが重要である。特に、パネル２１のパッチ２３側に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０を貼付けることがパッチ２３の剥がれの有無の検出精度の向上に繋がる。しかしながら、航空機部品２０の構造上、パネル２１のパッチ２３側に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０を貼付けることが困難な場合もある。そのような場合には、図８に示すように、パネル２１の反対側の面に複数の超音波振動子１１及び複数の光ファイバセンサ１０を貼付けても十分な精度でパッチ２３の剥がれの有無を検出することができる。

具体的には、補修部位を含む領域とパッチ２３との境界面を検査領域として、周波数が低い第１の超音波及び周波数が高い第２の超音波を検査領域に向けて送信することができる。そして、第１の超音波の検査領域における反射波及び検査領域を通過した第２の超音波を、検査領域に損傷が発生したか否かを監視するための情報として取得することができる。

このため、パッチ２３に剥がれ等の損傷が発生していないことを確認しながら航空機部品２０の補修部位を補修することができる。これにより、補修された航空機部品２０を製造することができる。

尚、実際に人工的に進展させたパッチ２３の剥がれを超音波探傷システム１を用いて検出した結果、概ねパッチ２３の剥がれ領域の形状を検出できることが確認できた。この試験では、図８に示すような６組の超音波振動子１１及び光ファイバセンサ１０を用いて周波数が５０ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度の第１の超音波を相互に送受信した。同様に、周波数が４００ｋＨｚ程度の第２の超音波についても、６組の超音波振動子１１及び光ファイバセンサ１０を用いて相互に送受信した。

そして、損傷発生前後における第２の超音波の波形全体をタイムドメイン上で周波数解析し、自己相関性に基づいて第２の超音波の波形の変化の有無を判定した。更に、第１の超音波の反射波が光ファイバセンサ１０に到達する時間の損傷前後における変化と、超音波の速度に基づいて、第１の超音波の反射が起こる位置としてパッチ２３の剥がれ領域の端部における位置を求めた。この結果、損傷の進展を繰返すことにより変化するパッチ２３の剥がれ領域の端部における位置を、それぞれ良好な精度で検出できることが確認された。

つまり以上のような超音波探傷システム１及び超音波探傷方法は、中心周波数が異なる２種類の超音波を用いて接着部又は接合部における剥離や亀裂等の損傷を検知するようにしたものである。具体的には、超音波探傷システム１及び超音波探傷方法は、周波数帯域が高い第２の超音波を用いて広い検査領域を対象として損傷の有無を検査し、周波数帯域が低い第１の超音波の反射波を用いて損傷の位置を検出できるようにしたものである。

（効果）
このため、超音波探傷システム１及び超音波探傷方法によれば、従来よりも広い検査領域を対象として高精度に損傷を検知することができる。

従来は、５０ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度の低い周波数を有する超音波のみを用いて損傷部位で反射する反射波を検出することによって損傷を検出する方法が行われていた。しかしながら、低い周波数を有する超音波を用いると、超音波の進行方向に存在し、かつ近距離に存在する損傷しか検出することができない。つまり、低い周波数を有する超音波のみを用いると、広範囲における損傷の検出が困難となる。

これに対して、超音波探傷システム１及び超音波探傷方法によれば、低い周波数を有する第１の超音波の反射波に加え、高い周波数を有する第２の超音波の透過波を用いるため、従来よりも広範囲における損傷の検出が可能である。この結果、広い検査領域を対象として探傷検査を行う場合に、損傷の検出精度を向上させるのみならず、センサの数を減らすことができる。

以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１ 超音波探傷システム
２ 超音波送信部
３ 超音波検出部
４ 損傷検出部
１０ 光ファイバセンサ
１０Ａ 第１の光ファイバセンサ
１０Ｂ 第２の光ファイバセンサ
１１ 超音波振動子
１１Ａ 第１の超音波振動子
１１Ｂ 第２の超音波振動子
２０ 航空機部品
２１ パネル
２２ ストリンガ
２３ パッチ

Claims (10)

1. 周波数が相対的に低い第１の超音波及び前記第１の超音波に対して相対的に周波数が高い第２の超音波を検査領域に向けて送信する超音波送信部と、
   前記第１の超音波の前記検査領域における反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を検出する超音波検出部と、
   前記第１の超音波の反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波に基づいて前記検査領域における損傷を検出する損傷検出部と、
   を有する超音波探傷システム。
2. 前記超音波送信部は、前記第１の超音波及び前記第２の超音波を前記検査領域に向けて送信する少なくとも１つの超音波振動子を有し、
   前記超音波検出部は、前記第１の超音波の反射波を検出する第１の光ファイバセンサと、前記検査領域を通過した前記第２の超音波を検出する第２の光ファイバセンサとを有する請求項１記載の超音波探傷システム。
3. 前記超音波送信部は、前記第１の超音波を前記検査領域に向けて送信する第１の超音波振動子と、前記第１の超音波と異なる方向から前記第２の超音波を前記検査領域に向けて送信する第２の超音波振動子とを有し、
   前記超音波検出部は、前記第１の超音波の反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を検出する少なくとも１つの光ファイバセンサを有する請求項１記載の超音波探傷システム。
4. 前記超音波送信部及び前記超音波検出部は、前記第１の超音波を前記検査領域に向けて送信する第１の超音波振動子と、前記第１の超音波と異なる方向から前記第２の超音波を前記検査領域に向けて送信する第２の超音波振動子とを有し、前記第１の超音波の反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を前記第１の超音波振動子で受信するように構成される請求項１記載の超音波探傷システム。
5. 前記超音波送信部は、周波数が７５ｋＨｚ以上１２５ｋＨｚ以下である超音波を前記第１の超音波として送信するように構成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波探傷システム。
6. 前記超音波送信部は、周波数が３００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下である超音波を前記第２の超音波として送信するように構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波探傷システム。
7. 前記超音波送信部は、前記第１の超音波及び前記第２の超音波としてラム波を送信するように構成される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波探傷システム。
8. 前記損傷検出部は、前記第１の超音波の送信タイミングから前記第１の超音波の反射波がピークを呈するタイミングまでの時間に基づいて前記損傷の位置を検出し、前記第２の超音波の波形の変化量に基づいて前記損傷の有無を検出するように構成される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波探傷システム。
9. 周波数が相対的に低い第１の超音波及び前記第１の超音波に対して相対的に周波数が高い第２の超音波を検査領域に向けて送信するステップと、
   前記第１の超音波の前記検査領域における反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を検出するステップと、
   前記第１の超音波の反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波に基づいて前記検査領域における損傷を検出するステップと、
   を有する超音波探傷方法。
10. 航空機部品の補修部位を含む領域にパッチを接着するステップと、
    前記補修部位を含む領域と前記パッチとの境界面を検査領域として、周波数が相対的に低い第１の超音波及び前記第１の超音波に対して相対的に周波数が高い第２の超音波を前記検査領域に向けて送信し、前記第１の超音波の前記検査領域における反射波及び前記検査領域を通過した前記第２の超音波を、前記検査領域に損傷が発生したか否かを監視するための情報として取得するステップと、
    前記航空機部品の補修部位を補修することによって補修された航空機部品を製造するステップと、
    を有する航空機部品の製造方法。

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