JP2016191564A - 損傷診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象物中に存在する損傷部位の有無を非接触で判定できる損傷診断装置を提供する。【解決手段】励振部６１、音響放射圧により検査対象物Ｓが振動板１１から浮揚した状態で、検査対象物Ｓおよび振動板１１を、搬送波成分と、側帯波成分と、音響放射圧の非線形性に起因して生じる非線形成分とを含む振動波形で振動させる。第１振動計１６は、検査対象物Ｓの振動波形を検出する。信号処理装置３１の判定部は、振動に含まれる非線形成分に基づいて、検査対象物Ｓに損傷部位が存在するか否かを判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、損傷診断装置に関する。

検査対象物を振動させることにより発生する音のパワースペクトルに基づいてクラック（損傷部位）の有無を判定する方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、ゴム等の弾性材料から形成された部材で、検査対象物に打撃を与えることにより検査対象物を振動させる。

ところが、特許文献１に記載された方法では、検査対象物に打撃を与える際に部材を検査対象物に接触させる必要がある。この場合、検査対象物における部材が接触した箇所が損傷する可能性が高い。また、検査対象物は、吸着パッドに吸着された状態で打撃が与えられるので、吸着バッドに吸着された部分も損傷する可能性がある。

これに対して、検査対象物を音響放射圧により浮揚させた状態で検査対象物を振動させる技術が提案されている（非特許文献１参照）。

特開２００６−９０８７１号公報

古川 拓磨、増田 新、「近距離場音波浮揚による非接触超音波加振の基礎研究」、日本機械学会 関西学生会平成２５年度学生員卒業研究発表講演会予稿集（２０１３年）、１６Ａ２４

しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、検査対象物をその共振周波数付近の周波数でしか振動させることができない。従って、検査対象物に対してその共振周波数付近の周波数以外の他の周波数の振動を与えつつ検査対象物内の損傷有無を判定することができなかった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、検査対象物中に存在する損傷部位の有無を精度良く判定できる損傷診断装置を提供することを目的とする。

本発明に係る損傷診断装置は、
振動板と、
音響放射圧により検査対象物が前記振動板から浮揚した状態で、前記検査対象物および前記振動板を、第１周波数の搬送波成分と前記第１周波数に対して前記第１周波数より低い第２周波数の整数倍分だけ異なる周波数の側帯波成分と前記音響放射圧の非線形性に起因して生じる第２周波数の非線形成分とを含む振動波形で振動させる励振部と、
前記検査対象物の振動波形を検出する振動検出部と、
前記振動検出部で検出される振動に含まれる前記搬送波成分、前記側帯波成分および前記非線形成分のうちの少なくとも１つに基づいて、前記検査対象物に損傷部位が存在するか否かを判定する判定部と、を備える。

本発明によれば、検査対象物の振動に含まれる搬送波成分、側帯波成分および非線形成分のうちの少なくとも１つに基づいて、検査対象物の損傷部位の有無を判定する。これにより、損傷部位に起因した振動波形への影響を的確に評価することが可能となるので、検査対象物中に存在する損傷部位の有無の判定精度の向上を図ることができる。

実施の形態１に係る損傷診断システムの構成図である。 実施の形態１に係る信号処理装置の機能構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る振動板および圧電素子の配置を示す図である。 （Ａ）は亀裂のない検査対象物の一例を示す図であり、（Ｂ）は亀裂のある検査対象物の一例を示す図である。 実施の形態１について、（Ａ）は振動板の駆動電圧のスペクトル、（Ｂ）は振動板の振動のスペクトル、（Ｃ）は検査対象物の振動のスペクトルを示す図である。 実施の形態１について、（Ａ）は、検査対象物の搬送波成分の周波数付近の振動の周波数スペクトルを示す図であり、（Ｂ）は、検査対象物の非線形成分の周波数付近の振動の周波数スペクトルを示す図である。 実施の形態１について、（Ａ）は亀裂の無いアルミ平板と亀裂のあるアルミ平板とにおける非線形成分の振幅比の変調周波数依存性を示し、（Ｂ）は亀裂の無いアルミ平板と亀裂のあるアルミ平板とにおける非線形成分同士の位相差の変調周波数依存性を示す図である。 実施の形態１に係る信号処理装置が実行する損傷部位検出処理を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る損傷診断システムの構成図である。 実施の形態２に係る信号処理装置の機能構成を示すブロック図である。 実施の形態２について、亀裂の無い検査対象物と亀裂のある検査対象物との浮揚距離の変調周波数依存性を示す図である。 実施の形態２について、（Ａ）は亀裂の無い検査対象物と亀裂のある検査対象物とにおける非線形成分の振幅比の変調周波数依存性を示し、（Ｂ）は亀裂の無い検査対象物と亀裂のある検査対象物とにおける非線形成分同士の位相差の変調周波数依存性を示す図である。 実施の形態２に係る信号処理装置が実行する損傷部位検出処理を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る信号処理装置の機能構成を示すブロック図である。 実施の形態３について、亀裂の無い検査対象物と亀裂のある検査対象物とにおける変調度の変調周波数依存性を示す図である。 実施の形態３に係る信号処理装置が実行する損傷部位検出処理を示すフローチャートである。 変形例に係る信号処理装置が実行する損傷部位検出処理を示すフローチャートである。 変形例に係る信号処理装置が実行する損傷部位検出処理を示すフローチャートである。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態に係る損傷診断システムは、図１に示すように、振動板１１と、励振部６１と、第１振動計（変位検出部）１６と、第２振動計１８と、ＡＤ（Analog to digital）変換器２１、２３と、搬送部（図示せず）と、横方向変位検出部（図示せず）と、信号処理装置３１と、表示装置４１と、を備える。

励振部６１は、振動板１１に固定された圧電素子１２、１３と、圧電素子１２、１３に交流電圧を印加する信号発生器１４および信号増幅器１５と、を備える。励振部６１は、振動板１１をその厚さ方向に励振して振動板１１から超音波を発生させることにより、検査対象物Ｓを振動板１１から浮揚させる。

圧電素子１２、１３は、ピエゾ素子から構成され、振動板１１を振動させる。信号発生器１４は、後述の信号処理装置３１からの入力電圧に基づいて搬送波信号を振幅変調する変調用信号の周波数を変更することができる。信号発生器１４は、搬送波信号を生成するための第１発振器と、搬送波信号を振幅変調する変調用信号を生成するための第２発振器と、第１発振器の出力と第２発振器の出力とを乗算して振幅が変調された信号を生成して信号増幅器１５へ出力する乗算回路１４ｃと、を備える。ここで、変調用信号の周波数は、搬送波信号の周波数よりも低い。第１発振器１４ａと第２発振器１４ｂとは、例えば電圧制御発振器から構成される。信号増幅器１５は、信号発生器１４の乗算回路１４ｃからの入力電圧を増幅して圧電素子１２、１３へ出力する。

第１振動計１６は、検査対象物Ｓの変位の時系列データである振動波形を検出し、第２振動計１８は、振動板１１の変位の時系列データである振動波形を検出する。第１振動計１６と第２振動計１８とは、それぞれレーザドップラ振動計から構成されている。第１振動計１６は検査対象物Ｓの振動波形を示すアナログ信号をＡＤ変換器２１へ出力する。第２振動計１８は、振動板１１の振動波形を示すアナログ信号をＡＤ変換器２３へ出力する。ＡＤ変換器２１、２３は、第１振動計１６、第２振動計１８から入力される振動波形を示すアナログ信号をディジタル信号に変換して信号処理装置３１へ出力する。ＡＤ変換器２１、２３のサンプリング周波数は、例えば１ＭＨｚに設定される。

搬送部は、検査対象物Ｓを振動板１１の上方へ導入するためのものである。搬送部は、例えば検査対象物Ｓを浮揚させた状態で振動板１１の上方へ配置する構成である。横方向変位検出部は、搬送部で振動板１１の上方に配置された後、検査対象物Ｓの振動板１１の厚さ方向に直交する方向への変位を検出するためのものである。表示装置４１は、ディスプレイ等から構成される。

信号処理装置３１は、そのハードウェア構成要素として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１ａ、主記憶部３１ｂ、補助記憶部３１ｃ、インタフェース部３１ｄ、出力部３１ｅおよび各部を接続するシステムバス３１ｆを備える。ＣＰＵ３１ａは、補助記憶部３１ｃに記憶されたプログラムを読み出して実行する。ＣＰＵ３１ａは、信号処理装置３１全体を統括的に制御する。

主記憶部３１ｂは、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリを有している。主記憶部３１ｂは、ＣＰＵ３１ａの作業領域として用いられる。また、主記憶部３１ｂには、ＡＤ変換器２１、２３それぞれからインタフェース３１ｄを介して入力されるディジタルデータを一時的に記憶するデータバッファ３２１が設けられている。

補助記憶部３１ｃは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、磁気ディスク、半導体メモリなどの不揮発性メモリを有している。補助記憶部３１ｃは、ＣＰＵ３１ａが実行するプログラムおよび各種パラメータなどを記憶している。ＣＰＵ３１ａによる処理結果などを順次記憶する。また、補助記憶部３１ｃには、基準試料（図示せず）について得られた後述の非線形成分の振幅比である基準振幅比と、基準試料（図示せず）について得られた後述の非線形成分の位相差である基準位相差と、亀裂等の損傷部位の有無の判定に用いる判定閾値とが記憶されている。基準振幅比および基準位相差は、予め設定された周波数範囲内の各変調周波数について記憶されている。ここで、「変調周波数」とは、搬送波信号を変調する変調用信号の周波数を意味する。

インタフェース部３１ｄは、ＬＡＮインタフェース、シリアルインタフェース、パラレルインタフェース、アナログインタフェースなどを備えている。出力部３１ｆは、表示装置４１へ表示データを出力するためのインタフェースから構成される。

信号処理装置３１は、その機能構成要素として、図２に示すように、励振制御部３１３と、振幅比・位相差算出部３１１と、判定部３１２と、結果表示部３１４と、搬送制御部３１５と、揺動検出部３１６と、を有する。

励振制御部３１３は、予め設定された周波数範囲内（１８０Ｈｚから２１０Ｈｚの範囲内）で変調周波数を変化させるように信号発生器１４を制御する。励振制御部３１３は、第２発振器１４ｂへの入力電圧を変化させることにより、第２発振器１４ｂから出力される変調用信号の周波数（第２周波数）を１８０Ｈｚから２１０Ｈｚの範囲内で変化させる。また、励振制御部３１３は、第１発振器１４ａへの入力電圧を変化させることにより、第１発振器１４ａから出力される搬送波信号の周波数（第１周波数）を２０ｋＨｚから５０ＫＨｚの範囲内で変化させることもできる。更に、励振制御部３１３は、変調用信号の周波数を示す周波数情報を振幅比・位相差算出部３１１へ出力する。これにより、信号発生器１４の乗算回路１４ｃからは、搬送波信号に変調用信号が積算されてなる電圧信号が出力される。そして、圧電素子１２、１３にこの電圧信号が印加されることにより、振動板１１の振動には、後述の搬送波成分と側帯波成分と非線形成分とが含まれることになる。振動板１１の上方に配置された検査対象物Ｓは、振動板１１の振動により生じる音響放射圧により振動板１１から浮揚する。また、励振制御部３１３は、検査対象物Ｓの大きさ、重量または形状に応じて、搬送波信号の振幅を調整する機能を有していてもよい。

振幅比・位相差算出部３１１は、検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分と振動板１１の振動に含まれる非線形成分との振幅比および位相差を算出する。振幅比・位相差算出部３１１は、データバッファ３２１に記憶された第１振動計１６により検出されたディジタルデータ、第２振動計１８により検出されたディジタルデータのそれぞれについてＦＦＴ（First Fourier Transform）解析をしてフーリエ変換値データを算出する。そして、振幅比・位相差算出部３１１は、検査対象物Ｓについてのフーリエ変換値を、振動板１１についてのフーリエ変換値で除して得られる絶対値と偏角とを、それぞれ振幅比と位相差とする。振幅比・位相差算出部３１１は、算出した振幅比および位相差を判定部３１２へ出力する。

判定部３１２は、振幅比・位相差算出部３１１により算出された、予め設定された周波数範囲内の全ての変調周波数における非線形成分の振幅比および位相差に基づいて、検査対象物Ｓ中に損傷部位が存在するか否かを判定する。具体的には、判定部３１２は、まず、振幅比・位相差算出部３１１から入力される振幅比と基準振幅比との差分の二乗の積分値と振幅比・位相差算出部３１１から入力される位相差と基準位相差との差分の二乗の積分値とを算出する。そして、振幅比・位相差算出部３１１は、算出した積分値と損傷部位の無い基準資料について算出した積分値に基づいて設定された判定閾値との比較結果に基づいて、検査対象物Ｓ中における損傷部位の存在有無を判定する。判定部３１２は、検査対象物Ｓ中における損傷部位の存在有無を示す判定結果情報を結果表示部３１４へ出力する。結果表示部３１４は、判定部３１２から入力される判定結果情報を表示装置４１に表示させる。

搬送制御部３１５は、搬送部を制御して検査対象物Ｓを振動板１１の上方に配置する。揺動検出部３１６は、前述の横方向変位検出部から入力される信号に基づいて、検査対象物Ｓが振動板１１の上方へ搬送された後の検査対象物Ｓの振動板１１の厚さ方向に直交する方向への揺動を検出する。そして、揺動検出部３１６は、補助記憶部３１ｃから揺動閾値を取得し、検出される変位が揺動閾値以下であるか否かを判定する。揺動検出部３１６は、検出される変位が揺動閾値以下の場合、揺動が収束した旨を通知する揺動収束情報を励振制御部３１３へ出力する。

次に、本実施の形態に係る損傷診断システムの実験例の性能について説明する。ここでは、図３に示すように、振動板１１は、矩形板状であり、圧電素子１２、１３は平面視矩形状であり、圧電素子１２、１３は、振動板１１の平面視で短手方向における中央部を通る中心軸Ｊ１上に並んで配置されている。また、図３において、図示するようにＸＹ方向を定義すると、振動板１１の厚さは３ｍｍであり、振動板１１のＹ方向の長さは２１０ｍｍ、Ｘ方向の長さは１４８ｍｍである。また、圧電素子１２、１３は、その厚さが０．５ｍｍであり、Ｙ方向の長さが３０ｍｍ、Ｘ方向の長さが２０ｍｍである。振動板１１の図３の−Ｙ方向側に位置する端縁と、圧電素子１２の図３の−Ｙ方向側に位置する端縁との間の距離は、５０ｍｍである。振動板１１の図３の＋Ｘ方向側に位置する端縁と、圧電素子１２の図３の＋Ｘ方向側に位置する端縁との間の距離は、６４ｍｍである。振動板１１の図３の＋Ｙ方向側に位置する端縁と、圧電素子１３の図３の＋Ｙ方向側に位置する端縁との間の距離は、５０ｍｍである。振動板１１の図３の−Ｘ方向側に位置する端縁と、圧電素子１３の図３の−Ｘ方向側に位置する端縁との間の距離は、６４ｍｍである。

また、被検査対象物Ｓとして、図４（Ａ）に示すような亀裂の無いアルミ平板と図４（Ｂ）に示すような亀裂ＣＲのあるアルミ平板とを用いた。亀裂ＣＲのあるアルミ平板は、２枚のアルミ平板をテープで貼り合わせて亀裂ＣＲを模擬したものである。図４（Ａ）に示すアルミ平板は、Ｚ方向の厚さが１ｍｍであり、Ｙ方向の長さが２１０ｍｍ、Ｘ方向の長さが１４８ｍｍである。

ここで、圧電素子１２、１３に搬送波信号に変調用信号が積算されてなる電圧信号を印加した場合の、振動板１１で発生する振動と、振動板１１の振動に起因して検査対象物Ｓで発生する振動とについて説明する。圧電素子１２、１３に印加される電圧信号は、図５（Ａ）に示すように、搬送波成分（周波数ω１）と、側帯波成分（周波数ω１−ω２、ω１＋ω２）と、を含む。圧電素子１２、１３にこのような電圧信号が印加される場合、振動板１１で発生する振動は、図５（Ｂ）に示すように、搬送波成分（周波数ω１）と、側帯波成分（周波数ω１±ｎω２（ｎ＝１，２，…）と、非線形成分（（周波数ｍω２（ｍ＝１，２，…）））と、を含むことになる。ここで、非線形成分は、音響放射圧の非線形性に起因して生じるものである。このように振動板１１が振動する場合、検査対象物Ｓで発生する振動は、図５（Ｃ）に示すように、搬送波成分（周波数ω１）と、側帯波成分（（周波数ω１±ｎω２（ｎ＝１，２，…））と、非線形成分（周波数ｍω２（ｍ＝１，２，…））と、を含むことになる。つまり、励振部６１は、音響放射圧により検査対象物Ｓが振動板１１から浮揚した状態で、検査対象物Ｓおよび振動板１１を、周波数（第１周波数）ω１の搬送波成分と、側帯波成分と、周波数（第２周波数）ω２を基本周波数とする非線形成分とを含む振動波形で振動させる。側帯波成分は、周波数ω１に対して周波数ω１より低い周波数（第２周波数）ω２の整数倍分だけ異なる周波数の成分である。

本実施の形態では、検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分ω２と振動板１１の振動に含まれる非線形成分ω２との振幅比並びに位相差に基づいて、検査対象物Ｓ中に損傷部位が存在するか否かを判定する。

次に、損傷診断システムにおける検査対象物Ｓの実際の振動付加特性について説明する。図６（Ａ）は、検査対象物Ｓの搬送波成分の周波数ω１付近の振動の周波数スペクトルを示し、図６（Ｂ）は、検査対象物Ｓの非線形成分の周波数ω２付近の振動の周波数スペクトルを示している。図６（Ｂ）に示す周波数スペクトルから、検査対象物Ｓの振動に周波数ω２の非線形成分が含まれていることが判る。これらのことから、損傷診断システムでは、圧電素子１２、１３に搬送波信号に変調用信号が積算されてなる電圧信号を印加した場合、検査対象物Ｓの振動に非線形成分が含まれることが判る。

次に、検査対象物Ｓとして、亀裂の無いアルミ平板と亀裂のあるアルミ平板とで、検査対象物Ｓ、振動板１１の振動に含まれる非線形成分の振幅比、検査対象物Ｓ、振動板１１の振動に含まれる非線形成分の位相差とを比較した結果について説明する。図７（Ａ）の丸印は、亀裂の無いアルミ平板の非線形成分の非線形成分の振幅比の変調周波数依存性を示し、図７（Ａ）の三角印は、亀裂ＣＲのあるアルミ平板の非線形成分の振幅の変調周波数依存性を示す。また、図７（Ｂ）の丸印は、亀裂の無いアルミ平板、振動板１１の非線形成分の位相差の変調周波数依存性を示し、図７（Ｂ）の三角印は、亀裂ＣＲのあるアルミ平板、振動板１１の非線形成分の位相差の変調周波数依存性を示す。図７（Ａ）から、亀裂ＣＲのあるアルミ平板の変調波成分の非線形成分の振幅比は、亀裂の無いアルミ平板の非線形成分の振幅に比べて大きくなることが判る。なお、図７（Ｂ）からは、亀裂ＣＲのあるアルミ平板、振動板１１の非線形成分の位相差は、亀裂の無いアルミ平板、振動板１１の非線形成分の位相差と略同じであることが判る。本実施の形態に係る損傷診断システムでは、検査対象物Ｓの非線形成分の振幅比または位相差が亀裂ＣＲ有無によって異なることを利用して、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する。

次に、本実施の形態に係る信号処理装置３１が実行する損傷部位検出処理について図８を参照しながら説明する。損傷部位検出処理は、例えばユーザによる、信号処理装置３１の操作部（図示せず）で損傷部位の検出を開始するための操作を受け付けたことを契機として開始される。

まず、励振制御部３１３は、検査対象物Ｓを浮揚させるための搬送波の搬送波周波数を設定する（ステップＳ１）。ここでは、励振制御部３１３は、検査対象物Ｓが無い状態で第１発振器１４ａから出力される信号電圧の周波数を２０ｋＨｚから５０ｋＨｚまで掃引する。これにより、データバッファ３２１には、第２振動計１８からＡＤ変換器２３を介して各周波数における振動板１１の振幅データが蓄積される。そして、励振制御部３１３は、データバッファ３２１に蓄積された各周波数に対応する振幅データの中から振幅が最大となる周波数を特定し、特定した周波数を搬送波周波数に設定する。

次に、励振制御部３１３は、信号発生器１４の第１発振器１４ａを上記特定した周波数で動作させることにより圧電素子１２、１３に電圧信号を印加し、振動板１１で超音波を発生させる（ステップＳ２）。

続いて、搬送制御部３１５は、検査対象物Ｓを振動板１１の上方へ導入する（ステップＳ３）。このとき、検査対象物Ｓは、検査対象物Ｓ１と振動板１１との間の空気層を介して浮揚保持される。

その後、揺動検出部３１６は、検査対象物Ｓの揺動が収束したか否かを判定する（ステップＳ４）。揺動検出部３１６は、揺動を検出している限り（ステップＳ４：Ｎｏ）、待機状態を維持する。

ステップＳ４において、検査対象物Ｓの揺動が収束したと判定されると（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、励振制御部３１３は、第２発振器１４ｂを動作させることにより、搬送波信号の変調用信号による変調を開始する（ステップＳ５）。このとき、ＡＤ変換器２１は、サンプリングを開始し、第１振動計１６から入力されるアナログ信号をサンプリングしてディジタルデータを生成し、データバッファ３２１に記憶させる。

次に、振幅比・位相差算出部３１１は、非線形成分の振幅比および位相差の算出に必要なサンプリング期間が終了したか否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、「非線形成分の振幅比」とは、検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分と振動板１１の振動に含まれる非線形成分との振幅比を意味し、「非線形成分の位相差」とは、検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分と振動板１１の振動に含まれる非線形成分との位相差を意味する。振幅比・位相差算出部３１１は、サンプリング期間が終了しない限り（ステップＳ６：Ｎｏ）、待機状態を維持する。

一方、ステップＳ６において、サンプリング期間が終了したと判定されると（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、振幅比・位相差算出部３１１は、サンプリング期間中にサンプリングされたディジタルデータから非線形成分の振幅比および位相差を算出する（ステップＳ７）。続いて、振幅比・位相差算出部３１１は、変調周波数に対して予め設定された周波数範囲内の全周波数について非線形成分の振幅比および位相差の算出を完了したか否かを判定する（ステップＳ８）。振幅比・位相差算出部３１１は、例えば１８０Ｈｚから２１０Ｈｚの範囲内の全ての変調周波数に対応する非線形成分の振幅比および位相差を算出したか否かを判定する。

ステップＳ８において、予め設定された周波数範囲内の全周波数について振幅比の算出が完了していないと判定されると（ステップＳ８：Ｎｏ）、励振制御部３１３は、変調周波数を変更する（ステップＳ９）。ここでは、励振制御部３１３は、変調周波数を予め設定された周波数（例えば１Ｈｚ）だけ変更する。そして、ステップＳ６からステップＳ９までの処理が繰り返し実行されることにより、変調周波数が例えば１８０Ｈｚから始まって２１０Ｈｚまで１Ｈｚずつ変化し、振幅比・位相差算出部３１１が、各変調周波数における非線形成分の振幅比および位相差を算出していく。振幅比・位相差算出部３１１は、算出した各変調周波数における非線形成分の振幅比を示す振幅比データと非線形成分の位相差を示す位相差データとを判定部３１２へ随時出力する。

ステップＳ８において、全周波数について非線形成分の振幅比および位相差の算出が完了したと判定されると（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、搬送制御部３１５は、検査対象物Ｓをアンロードする（ステップＳ１０）。その後、励振制御部３１３は、信号発生器１４を停止させることにより、振動板１１から発生する超音波を停止する。

次に、判定部３１２は、振幅比・位相差算出部３１１から入力される振幅比データおよび位相差データに基づいて、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する（ステップＳ１２）。判定部３１２は、各周波数における非線形成分の振幅比および位相差と、損傷部位が無い基準試料について得られた非線形成分の振幅比および位相差である基準値との差分の二乗の積算値を算出する。そして、判定部３１２は、算出した積算値が判定閾値を超えるか否かにより損傷部位の有無を判定する。判定部３１２は、積算値が判定閾値を超える場合、検査対象物Ｓ中に損傷部位が存在すると判定する。判定部３１２は、判定結果を結果表示部３１４へ出力する。

続いて、結果表示部３１４は、判定結果を表示する結果表示処理を実行する（ステップＳ１３）。ここで、結果表示部３１４は、判定部３１２から入力される判定結果を示す結果データを、表示装置４１で表示できるデータ形式に変換して表示装置４１へ出力する。これにより、表示装置４１には、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無の判定結果が表示される。

以上説明したように、本実施の形態に係る損傷診断システムでは、検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分に基づいて、検査対象物Ｓの損傷部位の有無を判定する。これにより、検査対象物Ｓの振動に含まれる搬送波成分を監視するだけでは確認できない損傷部位に起因した振動波形への影響を評価することが可能となるので、検査対象物Ｓ中に存在する損傷部位の有無の判定精度の向上を図ることができる。

ところで、検査対象物Ｓの大きさや形状或いは検査対象物Ｓ中に存在する損傷部位の状態によって、振動に含まれる各変調周波数の成分の振幅比の大きさが変化しうる。これに対して、本実施の形態に係る損傷診断システムでは、励振制御部３１３が、予め設定された周波数範囲内（１８０Ｈｚから２１０Ｈｚの範囲内）で変調周波数を変化させるように信号発生器１４を制御する。振幅比・位相差算出部３１１が、予め設定された周波数範囲内の全ての変調周波数について、振動に含まれる非線形成分の振幅比および位相差を算出する。判定部３１２は、予め設定された周波数範囲内の全ての変調周波数についての非線形成分の振幅比および位相差に基づいて、検査対象物Ｓに損傷部位が存在するか否かを判定する。これにより、検査対象物Ｓ中の大きさや形状或いは検査対象物Ｓ中に存在する損傷部位の状態に左右されることなく、検査対象物Ｓ中に存在する損傷部位の有無を精度よく判定できる。

（実施の形態２）
本実施の形態に係る損傷診断システムは、図９に示すように、レーザ変位計１９と、これに対応するＡＤ変換器２４とを備える点が実施の形態１と相違する。なお、図９において、実施の形態１と同様の構成については図１と同一の符号を付している。ＡＤ変換器２４は、ＡＤ変換器２１、２３と同様の構成である。

補助記憶部３１ｃには、検出対象物Ｓの浮揚距離の基準となる基準浮揚距離と、基準試料（図示せず）について得られた後述の非線形成分の振幅比である基準振幅比と、基準試料（図示せず）について得られた後述の非線形成分の位相差である基準位相差と、亀裂等の損傷部位の有無の判定に用いる判定閾値とが記憶されている。基準振幅比および基準位相差は、予め設定された周波数範囲内の各変調周波数について記憶されている。

信号処理装置２０３１は、図１０に示すように、検査対象物Ｓの浮揚距離を計測する浮揚距離計測部２３１５を備える点が実施の形態１と相違する。なお、図１０において、実施の形態１と同様の構成については図２と同一の符号を付している。

浮揚距離計測部２３１５は、データバッファ３２１から取得したディジタルデータの平均値を浮揚距離として算出する。浮揚距離計測部２３１５は、算出した浮揚距離を励振制御部２３１３へ出力する。

励振制御部２３１３は、実施の形態１で説明した励振制御部３１３が有する機能に加えて、検査対象物Ｓの浮揚距離が基準浮揚距離となるように、搬送波の振幅を調整する機能を有する。励振制御部３１３は、浮揚距離計測部２３１５から入力される浮揚距離に基づいて、第１発振器１４ａから出力される搬送波信号の振幅を変化させることにより、超音波に含まれる搬送波成分の大きさを調整する。また、励振制御部２３１３は、信号発生器１４から出力される変調用信号の波形を示す波形情報を振幅比・位相差算出部３１１へ出力する。

次に、本実施の形態に係る損傷診断システムの実験例の性能について説明する。ここで、振動板１１と圧電素子１２、１３と検査対象物Ｓとは、実施の形態１と同様である。まず、検査対象物Ｓとして、亀裂の無いアルミ平板と亀裂のあるアルミ平板とで、搬送波信号、変調用信号の振幅を一定にして浮揚距離を比較した結果について説明する。図１１の丸印は、亀裂の無いアルミ平板の変調波成分の浮揚距離の変調周波数依存性を示し、図１１の三角印は、亀裂ＣＲのあるアルミ平板の変調波成分の浮揚距離の変調周波数依存性を示す。図１１に示すように、亀裂ＣＲのあるアルミ平板の浮揚距離は、亀裂の無いアルミ平板の浮揚距離に比べて大きくなる。損傷診断システムでは、検査対象物Ｓ毎に、浮揚距離が基準浮揚距離で維持されるように搬送波信号の振幅を調整する。

次に、検査対象物Ｓとして、亀裂の無いアルミ平板と亀裂ＣＲのあるアルミ平板とで、振動に含まれる非線形成分の振幅比と位相差とを比較した結果について説明する。図１２（Ａ）の丸印は、亀裂の無いアルミ平板の非線形成分の振幅比の変調周波数依存性を示し、図１２（Ａ）の三角印は、亀裂ＣＲのあるアルミ平板の非線形成分の振幅比の変調周波数依存性を示す。また、図１２（Ｂ）の丸印は、亀裂の無いアルミ平板、振動板１１の非線形成分の位相差の変調周波数依存性を示し、図１２（Ｂ）の三角印は、亀裂ＣＲのあるアルミ平板、振動板１１の非線形成分の位相差の変調周波数依存性を示す。図１２（Ｂ）から、亀裂ＣＲのあるアルミ平板の位相差は、亀裂の無いアルミ平板の位相差に比べて小さくなることが判る。本実施の形態に係る損傷診断システムでは、検査対象物Ｓの浮揚距離が基準浮揚距離となるようにした場合において、検査対象物Ｓの非線形成分の振幅比または位相差が亀裂ＣＲ有無によって異なることを利用して、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する。

次に、本実施の形態に係る信号処理装置３１が実行する損傷部位検出処理について図１３を参照しながら説明する。図１３におけるステップＳ２０１からステップＳ２０６までの処理は、図８におけるステップＳ１からステップＳ６までの処理と同じである。ステップＳ２０６の処理の後、浮揚距離計測部２３１５は、検査対象物Ｓの浮揚距離を算出する（ステップＳ２０７）。

次に、励振制御部３１３は、浮揚距離計測部２３１５で算出された検査対象物Ｓの浮揚距離に基づいて、浮揚距離が基準浮揚距離となるように、信号発生器１４の第１発振器１４ａから出力される搬送波信号の振幅を調整する（ステップＳ２０８）。

続いて、振幅比・位相差算出部３１１は、検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分と振動板１１の振動に含まれる非線形成分との振幅比および位相差を算出する（ステップＳ２０９）。その後、振幅比・位相差算出部３１１は、予め設定された周波数範囲内の全周波数について、振幅比および位相差の算出を完了したか否かを判定する（ステップＳ２１０）。

ステップＳ２１０において、予め設定された周波数範囲内の全周波数について位相差の算出が完了していないと判定されると（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、励振制御部２３１３は、変調周波数を変更する（ステップＳ２１１）。ステップＳ２０６からステップＳ２１１までの処理が繰り返し実行されることにより、変調周波数が例えば１８０Ｈｚから始まって２１０Ｈｚまで１Ｈｚずつ変化し、振幅比・位相差算出部３１１が、各変調周波数における非線形成分の振幅比および位相差を算出していく。振幅比・位相差算出部３１１は、算出した各変調周波数における非線形成分の振幅比を示す振幅データと非線形成分の位相差を示す位相差データとを判定部３１２へ随時出力する。

ステップＳ２１０において、全周波数について位相差の算出が完了したと判定されると（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、ステップＳ２１２、Ｓ２１３の処理が実行される。ステップＳ２１２、Ｓ２１３の処理は、実施の形態１のステップ１０、Ｓ１１の処理と同様である。

次に、判定部２３１２は、振幅比・位相差算出部３１１から入力される振幅データおよび位相差データに基づいて、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する（ステップＳ２１４）。このステップＳ２１４の処理内容は、実施の形態１で説明した損傷部位検出処理のステップＳ１２での処理内容と同様である。判定部３１２は、判定結果を結果表示部３１４へ出力する。その後、結果表示部３１４は、結果表示処理を実行する（ステップＳ２１５）。

以上説明したように、本実施の形態に係る損傷診断システムでは、検査対象物Ｓの浮揚距離が基準浮揚距離で維持されるので、例えば、レーザ顕微鏡等を用いて検査対象物表面の外観検査等を実施し易くなる。つまり、レーザ顕微鏡等の焦点距離を基準浮揚距離に適合した距離に固定することができるので、検査対象物Ｓ毎に焦点距離の調節が必要な構成に比べて容易に検査を実行できる。

（実施の形態３）
本実施の形態に係る損傷診断システムでは、信号処理装置５０３１が、図１４に示すように、検出対象物Ｓの振動に含まれる変調度を算出する変調度算出部５３１１を備える点が実施の形態２と相違する。なお、図１４において、実施の形態２と同様の構成については図１０と同一の符号を付している。また、本実施の形態に係る損傷診断システムでは、補助記憶部３１ｃに、基準試料（図示せず）について得られた、振動に含まれる搬送波成分に対する側帯波成分の比率である基準変調度と、亀裂等の損傷部位の有無の判定に用いる判定閾値とが記憶されている。基準変調度は、予め設定された周波数範囲内の各変調周波数について記憶されている。

次に、本実施の形態に係る損傷診断システムの実験例の性能について説明する。ここで、振動板１１と圧電素子１２、１３と検査対象物Ｓとは、実施の形態１と同様である。検査対象物Ｓとして、亀裂の無いアルミ平板と亀裂ＣＲのあるアルミ平板とで、浮揚距離が基準浮揚距離となるようにして、振動波形の変調度を比較した結果について説明する。図１５の丸印は、亀裂の無いアルミ平板についての変調度の変調周波数依存性を示し、図１５の三角印は、亀裂ＣＲのあるアルミ平板についての変調度の変調周波数依存性を示す。図１５から、亀裂ＣＲのあるアルミ平板の変調度は、亀裂の無いアルミ平板の変調度に比べて大きくなることが判る。本実施の形態に係る損傷診断システムでは、検査対象物Ｓの浮揚距離が基準浮揚距離となるようにした場合、検査対象物Ｓの変調度が亀裂ＣＲ有無によって異なることを利用して、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する。

次に、本実施の形態に係る信号処理装置３１が実行する損傷部位検出処理について図１６を参照しながら説明する。図１６におけるステップＳ５０１からステップＳ５０８までの処理は、図１３におけるステップＳ２０１からステップＳ２０８までの処理と同じである。ステップＳ２０８の処理の後、変調度算出部５３１１は、変調度を算出する（ステップＳ５０９）。ここでは、変調度算出部５３１１が、データバッファ３２１から取得した時系列波形を示すディジタルデータから振幅包絡線をヒルベルト変換によって算出し、その後、振幅包絡線の振幅を振幅包絡線の平均値で除することにより変調度を算出する。

その後、ステップＳ５１０以降の処理が実行される。図１６におけるステップＳ５１０からステップＳ５１３までの処理は、図１３におけるステップＳ２１０からステップＳ２１３までの処理と同じである。ここで、ステップＳ５０６からステップＳ５０９までの処理が繰り返し実行されることにより、変調周波数が例えば１８０Ｈｚから始まって２１０Ｈｚまで１Ｈｚずつ変化し、変調度算出部５３１１が、各変調周波数における変調度を算出していく。変調度算出部５３１１は、算出した各変調周波数における変調度を示す変調度データを判定部５３１２へ随時出力する。

ステップＳ５１３の処理の後、判定部５３１２は、変調度算出部５３１１から入力される変調度データに基づいて、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する（ステップＳ２１４）。判定部５３１２は、各周波数における変調度と、損傷部位が無い基準試料について得られた基準変調度との差分の二乗の積算値を算出する。そして、判定部３１２は、算出した積算値が判定閾値を超えるか否かにより損傷部位の有無を判定する。判定部３１２は、積算値が判定閾値を超える場合、検査対象物Ｓ中に損傷部位が存在すると判定する。判定部３１２は、判定結果を結果表示部３１４へ出力する。その後、結果表示部３１４は、結果表示処理を実行する（ステップＳ５１５）。

ところで、検査対象物Ｓ中に存在する亀裂や接着部分の剥離等の損傷部位は、亀裂面同士または接着面同士の状態変化を伴う。このような損傷部位の状態変化は、検査対象物の振動に含まれる搬送波成分の振幅変調および位相変調として表れる。したがって、本実施の形態に係る損傷診断システムでは、判定部５３１２は、予め設定された周波数範囲内の全ての変調周波数における変調度に基づいて、検査対象物Ｓに損傷部位が存在するか否かを判定する。これにより、損傷部位の状態変化に起因した検査対象物Ｓの振動への影響を変調度の変化から検出することができるので、損傷部位の状態変化の有無をも検出することができるという利点がある。

（変形例）
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、実施の形態１および実施の形態２において、検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分と圧電素子１２、１３に印加する電圧値との振幅比並びに位相差に基づいて、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する構成であってもよい。この場合、第２振動計１８、ＡＤ変換器２３を不要とすることができるので、損傷診断システムの簡素化を図ることができる。

前述の各実施の形態では、励振制御部３１３が、予め設定された周波数範囲内（１８０Ｈｚから２１０Ｈｚの範囲内）で変調周波数を変化させるように信号発生器１４を制御する例について説明した。これに限らず、例えば励振制御部３１３が、特定の変調周波数で固定されるように信号発生器１４を制御する構成であってもよい。ここで、特定の変調周波数は、例えば変調周波数を変更しながら、検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分と振動板１１の非線形成分との振幅比および位相差を計測したときに、その振幅比または位相差が最も大きくなるときの変調周波数とすればよい。

本変形例に係る信号処理装置３１が実行する損傷部位検出処理は、図１７に示すように、図８に示すフローチャートにおいてステップＳ８、Ｓ９の処理を省略したものに相当する。なお、図１２において、Ｓ３０１からステップＳ３０７までの処理は、図８におけるステップＳ１からステップＳ７までの処理と同じであり、ステップＳ３０８以降の処理は、図８におけるステップＳ１０以降の処理と同じである。

他の変形例に係る信号処理装置３１が実行する損傷部位検出処理は、図１８に示すように、図１３に示すフローチャートにおいてステップＳ２１０、Ｓ２１１の処理を省略したものに相当する。なお、図１８において、Ｓ４０１からステップＳ４０９までの処理は、図１３におけるステップＳ２０１からステップＳ２０９までの処理と同じであり、ステップＳ４１０以降の処理は、図１３におけるステップＳ２１２以降の処理と同じである。

本構成によれば、励振制御部３１３による変調周波数を変更する処理を省略できるとともに、振幅比・位相差算出部３１１による振幅算出処理を実行する回数を低減できる。これにより、信号処理装置３１が実行する処理内容が簡素化されるので、信号処理装置３１の処理負担を軽減することができる。

実施の形態２では、判定部２３１２が検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分の振幅と検査対象物Ｓの振動に含まれる非線形成分と振動板１１の振動に含まれる非線形成分との位相差に基づいて、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する例について説明した。これに限らず、例えば、判定部２３１２は、検査対象物Ｓの浮遊距離に基づいて、検査対象物Ｓ中の損傷部位の有無を判定する構成であってもよい。この場合、浮遊距離計測部は、損傷部位の無い基準試料について計測された基準浮遊距離を補助記憶部３１ｃに記憶させておく。そして、判定部が、検査対象物Ｓの浮遊距離と基準浮遊距離との差分が判定閾値よりも大きい場合に検査対象物Ｓ中に損傷部位が存在すると判定するようにすればよい。本構成によれば、振動計が不要となるので、損傷診断システムの簡素化を図ることができる。

前述の各実施の形態では、励振部６１が振動板１１の２箇所それぞれに固定された圧電素子１２，１３を備える例について説明した。これに限らず、例えば励振部６１が振動板１１の３箇所以上に固定された圧電素子を備える構成であってもよい。或いは、励振部が振動板１１の１箇所に固定された圧電素子を備える構成であってもよい。

前述の各実施の形態では、信号発生器１４が、第１発振器１４ａ、第２発振器１４ｂおよび乗算回路１４ｃを備えるアナログ回路から構成される例について説明した。これに限らず、例えば、信号発生器１４の代わりにＤＡ（Digital to Analog）変換器を備えた構成であってもよい。この場合、信号処理装置３１において搬送波信号に対応するディジタル信号に変調用信号に対応するディジタル信号を乗算してなるディジタル信号を生成し、生成したディジタル信号をＤＡ変換器へ出力するようにすればよい。すると、ＤＡ変換器は、入力されるディジタル信号をアナログ信号へ変換して出力する。ＤＡ変換器から出力されるアナログ信号は、搬送波信号に変調用信号が乗算された信号となる。

１１：振動板、１２，１３：圧電素子、１４：信号発生器、１４ａ：第１発振器、１４ｂ：第２発振器、１４ｃ：乗算回路、１５：信号増幅器、１６：第１振動計、１８：第２振動計、１９：変位計、２１，２３，２４：ＡＤ変換器、３１，２０３１，５０３１：信号処理装置、３１ａ：ＣＰＵ、３１ｂ：主記憶部、３１ｃ：補助記憶部、３１ｄ：インタフェース、３１ｅ：出力部、３１ｆ：システムバス、４１：表示装置、６１：励振部、３１１：振幅比・位相差算出部、３１２，５３１２：判定部、３１３，２３１３：励振制御部、３１４：結果表示部、３１５：ローダ制御部、３１６：揺動検出部、３２１：データバッファ、２３１５：浮揚距離計測部、５３１１：変調度算出部、Ｓ：検査対象物、ＣＲ：亀裂

Claims (6)

1. 振動板と、
   音響放射圧により検査対象物が前記振動板から浮揚した状態で、前記検査対象物および前記振動板を、第１周波数の搬送波成分と前記第１周波数に対して前記第１周波数より低い第２周波数の整数倍分だけ異なる周波数の側帯波成分と前記音響放射圧の非線形性に起因して生じる第２周波数の非線形成分とを含む振動波形で振動させる励振部と、
   前記検査対象物の振動波形を検出する振動検出部と、
   前記振動検出部で検出される振動に含まれる前記搬送波成分、前記側帯波成分および前記非線形成分のうちの少なくとも１つに基づいて、前記検査対象物に損傷部位が存在するか否かを判定する判定部と、を備える、
   損傷診断装置。
2. 前記検査対象物の浮揚距離を検出する浮揚距離検出部と、
   前記浮揚距離検出部で検出される浮揚距離が基準浮揚距離となるよう前記励振部による前記振動板の励振強度を制御する励振制御部と、を更に備える、
   請求項１に記載の損傷診断装置。
3. 前記検査対象物の振動に含まれる前記非線形成分と前記振動板の振動に含まれる前記非線形成分との振幅比と、前記検査対象物の振動に含まれる前記非線形成分と前記振動板の振動に含まれる前記非線形成分との位相差と、の少なくとも一方を算出する算出部を更に備え、
   前記判定部は、前記算出部により算出された前記振幅比および前記位相差の少なくとも一方に基づいて、前記検査対象物に損傷部位が存在するか否かを判定する、
   請求項２に記載の損傷診断装置。
4. 前記励振制御部は、更に、予め設定された周波数範囲内で前記第２周波数を変化させるように前記励振部を制御し、
   前記算出部は、前記予め設定された周波数範囲内の全ての第２周波数について、前記検査対象物の振動に含まれる前記非線形成分と前記振動板の振動に含まれる前記非線形成分との振幅比と、前記検査対象物の振動に含まれる前記非線形成分と前記振動板の振動に含まれる前記非線形成分との位相差と、の少なくとも一方を算出し、
   前記判定部は、前記算出部により算出された、前記予め設定された周波数範囲内の全ての第２周波数についての前記振幅比および前記位相差の少なくとも一方に基づいて、前記検査対象物に損傷部位が存在するか否かを判定する、
   請求項３に記載の損傷診断装置。
5. 前記検査対象物の振動に含まれる前記側帯波成分および前記搬送波成分から変調度を算出する算出部を更に備え、
   前記判定部は、前記算出部より算出された前記変調度に基づいて、前記検査対象物に損傷部位が存在するか否かを判定する、
   請求項２に記載の損傷診断装置。
6. 前記励振制御部は、更に、予め設定された周波数範囲内で前記第２周波数を変化させるように前記励振部を制御し、
   前記算出部は、前記予め設定された周波数範囲内の全ての第２周波数について、前記変調度を算出し、
   前記判定部は、前記算出部により算出された、前記予め設定された周波数範囲内の全ての第２周波数についての前記変調度に基づいて、前記検査対象物に損傷部位が存在するか否かを判定する、
   請求項５に記載の損傷診断装置。

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