JP2019513217A - マルチモード音響信号を用いた金属構造体における変化の検出および監視 - Google Patents

Abstract

機械的構造物、ならびにパイプ１８、容器、および貯蔵タンクにおける変化の検出および監視の方法が記載される。選択された振幅−時間−周波数特性を有する音響信号１６が、調査中の構造体におけるマルチモードを励振し、パイプの端部と、容器および貯蔵容器の頂部および底部のような、送信変換器と受信変換器との間の調査領域で、アクセス可能な数少ない位置で発生され、且つ、受信される。小さな機械的変化が、様々なモード間の音響散乱および減衰となり、受信信号の強度における変化として検出可能となる。このような変化は、材料損失、材料変化、および材料付加を含んでいてもよい。一度、構造物が既知の条件で特徴付けられると、本方法は、後の時間で、変化が生じたか否かを決定するために、構造体を監視するために用いられてもよい。効果的な温度補償方法も記載される。さらに、曲管、フランジなどを含む様々なパイプの幾何学形状および複雑なパイプの幾何学形状が、監視され得る。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年８月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／２０４，２２２号「マルチモード音響信号を使用した金属構造体における変化の検出および監視」の利益を主張し、これによって、その全ての内容は、開示および教示する全てについて、参照によって、ここに明確に組み込まれる。

［連邦政府の権利に関する記載］
本発明は、米国エネルギー省によって助成された契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０６ＮＡ２５３９６の下での政府支援をもってなされたものである。米国政府は、本発明において、一定の権利を有する。

［技術分野］
本発明は、概して、金属構造体、パイプ、容器、および貯蔵容器における変化の検出および監視に関し、より具体的には、金属構造体と、パイプ、容器、および貯蔵容器の壁とにおける変化の検出および監視のための、マルチモード音響信号の伝播および信号検出の使用に関する。

絶縁体や塗料の下側のようなアクセス困難な（hard-to-access）環境で、機械的構造体や、パイプ、容器、および貯蔵タンクの壁における、たとえば、ピット（pitting）、クラック、および破断による材料損失、腐食、および／または侵食による材料変化、材料の移行および蓄積による材料付加、ならびに材料吸収の検出および監視は、液体またはガスの貯蔵および流動を含む多くの産業において重要である。

現在、絶縁体の下側の腐食の検出は、絶縁体を除去することによる目視検査によって最も効果的に行われるが、時間がかかり、費用がかかる。他の検出方法は、放射線、渦電流技術、Ｘ線、遠隔ＴＶ監視、電磁気装置、局所音響検査（local acoustic interrogation）、および音響変換器アレイを用いた長距離音響検査（long-range acoustic interrogation）を含む。これらの方法は、提供される情報が、実用的な価値のある範囲があまりに限定されるか、必要とする装置が、実行するには煩雑、または高価であるため、広く用いられていない。

本発明の実施形態は、必要とされる際に、温度補償を用いて、機械的構造体、パイプ、容器、および貯蔵容器における経時的な変化の検出および監視方法を提供することによって、先行技術の不利な点および制限を克服することを含むが、これに限定されるものではない。

本発明のさらなる目標、有利な点、および新規な特徴は、後に続く記載の部分において明らかになり、そして、部分的には、下記の検討により、当業者に明白になるか、または、発明の実施によって習得されてもよい。本発明の目標および有利な点は、添付された請求の範囲において特に指摘される手段および組合せによって、実現され、達成されてもよい。

前述の、および他の目標を達成するために、ならびに本発明の実施形態の目的に従って、本明細書において具体化され、且つ、広範に記載されるように、壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法は、金属構造体の外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、前記金属構造体の外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、ベースライン信号を、受信変換器によって、チャープ信号に応じて、金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、選択された数の受信された振動信号を平均化し、平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって生成するステップと、監視信号を、受信変換器によって、チャープ信号に応じて、金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、選択された数の受信された振動信号を平均化し、平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって生成するステップと、監視信号をベースライン信号に正規化し、それによって、ベースライン信号および監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて、ベースライン信号および監視信号の短時間フーリエ変換を実施するステップと、正規化された監視信号と正規化されたベースライン信号との間の差分を取って、それによって、２次元の等高線マップを作成するステップと、等高線マップにおいて少なくとも１つの散乱事象を示す少なくとも１つの周波数−時間モード対を特定するステップであって、少なくとも１つの周波数−時間モード対の１つの特徴が、最大の正値を有し、少なくとも１つの周波数−時間モード対の対応する特徴が、最大の負値を有する、特定するステップと、最大の正値と最大の負値との間の振幅差分を計算するステップとを、ここに含む。

本発明の実施形態の別の態様において、ならびにそれらの目標および目的に従って、壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法は、金属構造体の外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、金属構造体の外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、ベースライン信号を、受信変換器によって、チャープ信号に応じて、金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、選択された数の受信された振動信号を平均化し、平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって生成するステップと、監視信号を、受信変換器によって、チャープ信号に応じて、金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、選択された数の受信された振動信号を平均化し、平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって生成するステップと、監視信号をベースライン信号に正規化し、ベースライン信号および監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、監視信号とベースライン信号との間の差分を取り、差分信号を形成するステップと、選択された時間および周波数の窓サイズ、および時間ステップを用いて、差分信号の短時間フーリエ変換を実施し、それによって、時間および周波数の２次元配列を形成するステップと、各周波数に対する時間軸に沿った短時間フーリエ変換の配列の標準偏差を計算するステップと、周波数の関数として、標準偏差を合計するステップとを、ここに含む。

さらに、本発明の実施形態の他の態様において、ならびにそれらの目標および目的に従って、壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法は、金属構造体の外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、金属構造体の外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、ベースライン信号を、受信変換器によって、チャープ信号に応じて、金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、選択された数の受信された振動信号を平均化し、平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって生成するステップと、監視信号を、受信変換器によって、チャープ信号に応じて、金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、選択された数の受信された振動信号を平均化し、平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって生成するステップと、監視信号をベースライン信号に正規化し、それによって、ベースライン信号および監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、比較信号としてベースライン信号を用いて、監視信号の温度補償を実施し、それによって、温度補償された監視信号を生成するステップと、選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて、ベースライン信号および温度補償された監視信号の短時間フーリエ変換を実施するステップと、正規化された監視信号と正規化されたベースライン信号との間の差分を取り、それによって、２次元の等高線マップを形成するステップと、等高線マップにおいて少なくとも１つの散乱事象を示す少なくとも１つの周波数−時間モード対を特定するステップであって、少なくとも１つの周波数−時間モード対の１つの特徴が、最大の正値を有し、少なくとも１つの周波数−時間モード対の対応する特徴が、最大の負値を有する、特定するステップと、最大の正値と最大の負値との間の振幅差分を計算するステップとを、ここに含む。

さらに、本発明の実施形態の別の態様において、ならびにそれらの目標および目的に従って、壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法は、金属構造体の外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、金属構造体の外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、ベースライン信号を、受信変換器によって、チャープ信号に応じて、金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、選択された数の受信された振動信号を平均化し、平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって生成するステップと、監視信号を、受信変換器によって、チャープ信号に応じて、金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、選択された数の受信された振動信号を平均化し、平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって生成するステップと、監視信号をベースライン信号に正規化し、それによって、ベースライン信号および監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、比較信号としてベースライン信号を用いて、監視信号の温度補償を実施し、それによって、温度補償された監視信号を生成するステップと、温度補償された監視信号とベースライン信号との差分を取って、差分信号を形成するステップと、選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて、差分信号の短時間フーリエ変換を実施し、それによって、時間および周波数の２次元配列を形成するステップと、各周波数に対する時間軸に沿った短時間フーリエ変換の配列の標準偏差を計算するステップと、周波数の関数として、標準偏差を合計するステップと、をここに含む。

本発明の利益および有利な点は、機械的構造体、パイプ、容器、および貯蔵容器における材料損失、材料変化、および材料付加を含む経時的な変化の検出および監視のための方法を提供することを含むが、これに限定されるものではない。さらに、曲管およびフランジ、その他同種類のものを含む、様々なパイプの幾何学的形状および複雑なパイプの幾何学的形状が、監視され得る。

添付の図面は、明細書に組み込まれ、および一部を形成し、記載と共に、本発明の実施形態を図示し、本発明の原理を説明する役割を果たす。

直線状のパイプ部を示し、本発明の方法の実施形態を実施するために適した基本的な装置の一実施形態の概略図である。 本装置が使用されてもよい、より複雑なパイプの構成の概略図である。 直径１０インチ、および壁の肉厚１／２インチを有する空の腐食されたパイプに沿って、線形チャープが２０フィート伝送された後の受信信号を示す図である。 図２に記載された空の腐食されたこのパイプに沿って、線形チャープ信号が２０フィート伝送された後の同じ受信信号を示す図であるが、パイプ壁に１２個の小さな磁石を取り付けられて摂動されて、パイプ壁に約３％の局所体積変化が生じている。 ２個の取り付けられた磁石に対する、図２および図３に示されるこの第１（ベースライン）信号の強度と第２（摂動）信号の強度との間の差分を取ることによって計算された、正規化された差分の短時間フーリエ変換（Normalized-Difference Short-Time-Fourier-Transform：ＮＤ−ＳＴＦＴ）のグラフである。 ４個の取り付けられた磁石に対する、図２および図３に示されるこの第１（ベースライン）信号の強度と第２（摂動）信号の強度との間の差分を取ることによって計算された、正規化された差分の短時間フーリエ変換（ＮＤ−ＳＴＦＴ）のグラフである。 １２個の取り付けられた磁石に対する、図２および図３に示されるこの第１（ベースライン）信号の強度と第２（摂動）信号の強度との間の差分を取ることによって計算された、正規化された差分の短時間フーリエ変換（ＮＤ−ＳＴＦＴ）のグラフである。 取り付けられた磁石の関数として、ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおける最大高度と最小深度との差分のグラフである。 長さ２０フィート、直径２−３／４インチ、および壁の肉厚１／４インチを有する腐食されていないパイプに沿って進行した信号に対する、除去された材料（または、ピットの体積比）の関数として、ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおける最大高度と最小深度との差分（すなわち、最大信号差分）、すなわち、ＳＴＦＴの差分信号の強度のグラフである。 円筒容器の長さを進行した、非摂動（ベースライン）の受信信号のグラフであり、ここでは、４つの送信変換器および１つの受信変換器が使用されている。 ベースラインと、０．２ｃｃの材料が切削によって除去された後との間のＮＤ−ＳＴＦＴの差分信号のグラフである。 ベースラインと、０．６ｃｃの材料が切削によって除去された後との間のＮＤ−ＳＴＦＴの差分信号のグラフである。 ベースラインと、１．２ｃｃの材料が切削によって除去された後との間のＮＤ−ＳＴＦＴの差分信号のグラフである。 空の容器から除去された材料の関数として、ＮＤ−ＳＴＦＴマップの最大高度および最小深度（すなわち、最大信号差分）のグラフである。 空の容器に対して付加された材料（磁石）の関数として、ＮＤ−ＳＴＦＴマップの最大高度と最小深度との間の差分（すなわち、最大信号差分）のグラフである。 時間の関数として、長さ１０５フィートのパイプ組立体の２５フィート部分のための温度補償された、および温度補償されていない信号の両方に対する信号差分の振幅のグラフである。 図１１Ａに示されるデータの各ビン（合計２５のビン）に対して計算された特定の遅延時間を図示するグラフである。 時間の関数として、長さ１０５フィートのパイプ組立体の５０フィート部分について温度補償された、および温度補償されていない信号の両方に対する信号差分の振幅のグラフである。 図１２Ａに示されるデータの各ビン（合計２５のビン）に対して計算された特定の遅延時間を図示するグラフである。 時間の関数として、長さ１０５フィートのパイプ組立体の１００フィート部分について温度補償された、および温度補償されていない信号の両方に対する信号差分の振幅のグラフである。 図１３Ａに示されるデータの各ビン（合計５０のビン）に対して計算された特定の遅延時間を図示するグラフである。 音響振幅、時間、および周波数のデータをマッピングすることによって計算された、正規化された実行可能な出力のグラフであり、これは、累積局所体積損失の関数として、パイプの安全性に関係して取られる実行が、必要か否かを決定するための指針として使用されてもよい。

簡単に言えば、本発明の実施形態は、絶縁体や塗料の下側のようなアクセス困難な環境での、たとえば、パイプ、容器、貯蔵タンク、曲管、フランジ、継手、Ｔ字管、および溶接部などの金属構造体の腐食および／または侵食、ならびに他の欠陥の音響検出および大領域の監視のための方法を含む。さらに、曲管やフランジなどを含む、様々なパイプの幾何学的形状および複雑なパイプの幾何学的形状が監視され得る。

本方法は、（ｉ）構造物／パイプ／容器／タンク、および予期される（１つまたは複数の）欠陥に対する最適化された振幅、時間および周波数特性を有する音響信号の発生、送信、および受信、（ｉｉ）音響データの取得および取得データの数値解析、ならびに（ｉｉｉ）欠陥の識別と欠陥の定量のための、振幅、時間、および周波数の音響データ特性と解析結果の実行可能な情報へのマッピング、を含む。

許容された複数の音響モード間の信号エネルギー分布における検出可能、且つ、識別可能な変化は、多くのパイプおよび容器（またはシステム）を通したマルチモード音響信号の伝播に対する機械的な変化または欠陥の影響から生じるものであるが、音響信号の全体のエネルギーは、ほぼ維持されている。すなわち、欠陥は、主に、あるモードから別のモードへの音響波の弾性散乱をもたらし、一方、全体の音響信号エネルギーの減衰は、概して小さい。音響散乱および減衰を発生させるために有効な機械的摂動は、材料損失（ピット、クラック、破断、および浸食）、材料変化（腐食生成物）、材料付加（材料移行および蓄積）、および材料吸収を含み、これらの各々は、振幅、時間、および周波数の位相空間における特定の散乱／減衰特性を有する。

本発明の実施形態の教示によれば、音響信号は、パイプの端部、または容器、貯蔵タンクの頂部および底部、または曲管、フランジ、継手、Ｔ字管もしくは溶接部のような、数少ない、アクセス可能で、且つ、都合の良い位置で、発生され、且つ、受信される。音響信号は、パイプ、容器、タンク、曲管、フランジ、継手、Ｔ字管、または溶接部において、着目したマルチモードを励振するのに有効な振幅、時間および周波数特性を有し、このような信号は、送信側の変換器と受信側の変換器との間の検査ゾーンにおいて伝播する。一度、構造物、パイプ、容器、タンク、曲管、フランジ、継手、Ｔ字管、または溶接部が、設置または詳細調査の直後のような、既知またはベースラインの状態または条件において特徴付けられると、本方法は、検査ゾーンにおいて、音響信号の送信特性の小さな変化を監視し、たとえば、１日に数回、１週間に１回、または１か月に１回、信号減算毎に多年にわたってなど、継続的に、または要求に応じて、欠陥の形成を識別および定量する。音響出力は、たとえば、内蔵された、もしくは機械的に取り付けられた変換器によって、または非接触の空気結合によって、アクセスされてもよい。

音響データの取得は、着目したシステムにおける高い信号対ノイズ比に対して最適化されてもよい。信号解析は、たとえば、フーリエ変換、短時間フーリエ変換、ウェーブレット変換、位相遅延解析、ヒルベルトスペクトル解析、およびヒルベルト−ファン変換を用いて、信号の振幅、時間および周波数領域の測定を、そのような多次元データにおけるベースライン条件のこれらからの変化の識別および定量に結び付ける。

欠陥の識別および定量のために測定された信号の特性および解析結果のマッピングによって、測定され、且つ、解析されたデータを、実行可能な情報として、解釈することができる。

受信された音響データは、時間の関数とした、送信された電気信号の振幅の形態となっており、たとえば（信号源から受信器へのトリガ信号を用いて）、チャープ信号の形態で、反復入力励振に対して正確に計時され、それによって、時間平均（通常、６４と４０９６回との間）が用いられ得る。時間平均によって、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が改善され、環境における他の音響（ノイズ）源に対して比較的低感度な方法となる。周波数領域の受信信号をフィルタリングすることによって、着目したスペクトル成分のみが受信器に到達することができ、それによって、ＳＮＲがさらに改善する。

その後に、時間平均され、且つフィルタリングされた受信信号は、窓サイズおよびステップサイズの最適化されたパラメータを有する短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）アルゴリズムを用いて、２次元等高線／表面マップに変換され、最適化されたパラメータは、パイプ（容器）の長さ、および／または、パイプもしくは容器の特性に応じて変化し得る。ＳＴＦＴマップは、時間および周波数の関数として、受信信号の強度の分布を表示する。すなわち、いつ、どの強度で、どの受信信号の周波数成分が到達したかを表示する。結合スペクトルおよび時間遅延の情報によって、音響信号の送信に対するパイプまたは容器への摂動の影響と同様に、パイプまたは容器のベースライン特性を特徴付けることができる。

ベースラインＳＴＦＴマップは、パイプ壁への材料付加と除去、パイプ壁への水分蓄積、パイプ壁への材料接触、腐食によるパイプ壁の材料変化、液体をパイプに充填したことによって生じ得る撓みによるパイプ壁の歪みなどの、摂動の影響に対する基準レベルを構成する。

本方法の実施形態の検出感度は、再現可能に測定することができる最小の摂動量である。本方法の実施形態は、約１００フィートまでのパイプ長さでの１％未満の局所容積変化のレベルで、パイプまたは容器の壁への材料付加および材料除去の両方による摂動の影響を測定した。検出の選択性は、パイプ壁への水分の蓄積、クランプ、撓み、腐食による材料変化または損失、腐食ピットによる材料損失、パイプ壁の異質の固体物との接触などの音響摂動の直接的な原因を区別することを必要とする。たとえば、パイプ壁上の水分は、最小限の散乱で、信号の広いスペクトル範囲に亘って、比較的均一な減衰を発生させ、それゆえ、パイプおよび容器の壁に沿って伝播して特定の時間遅延を有する他のモードとなる特定の音響モードの間で主に弾性散乱をもたらすパイプ上の腐食ピットや他の欠陥と容易に区別可能である。

パイプまたは容器の壁上の塗料（または、塗料内の小片）は、腐食や他の欠陥よりもより小さい影響しか有さない。パイプおよび容器の周囲の絶縁体は、パイプおよび容器上の腐食または他の欠陥と比較して、音響波の送信に対して弱い影響を生成する。パイプをクランプすると、音響信号の大きな散乱に至り、腐食または他の欠陥による散乱の影響を、大きさにおいて、圧倒し得る。しかしながら、クランプによる散乱の周波数分布は、局所腐食の散乱から予想されるよりも、はるかに広くなると予想され、これによって、散乱信号が区別され得る。クランプの影響による誤信号は、クランプがパイプ部へ付加または除去される際に、新規のベースラインを発生させることによって回避されてもよい。

パイプに局所的に設置された異質の固体材料は、パイプまたは容器の壁への材料付加によるものと同様の音響信号の散乱を生成すると予想され、これらの影響を区別することは困難であると予想される。重量成分による経時的な撓みは、パイプにおける空間的に拡散された歪み場をもたらすと予想される。このような非局在化された歪み場は、音響波の弱い散乱および減衰に至り得る。しかしながら、このような散乱および減衰の大きさおよびスペクトル特徴の両方は、腐食または他の欠陥によって局在化された摂動による散乱から識別可能であるべきである。現在までに、摂動源は、個々に特徴付けられている。

検出の堅牢性または信頼性は、一定の用途において長期間、長年に亘って、摂動の影響を監視するために１つのベースラインが用いられ得る、本方法の長期の実行性を参照する。このような堅牢性および信頼性を達成するために、温度の影響が補償され、有害な環境ノイズがフィルタリングされる。温度の影響は、音響変換器の応答、変換器とパイプなどの調査媒体（interrogated medium）との間の結合係数、媒体における音響信号の伝播、および電子機器の伝達関数を含む。これらの成分の各々による温度の影響の特性および相対的な重要性は、全システムの仕様に依存することになる。しかしながら、最初の測定がなされる際に、温度が記録され、その後の測定が、その温度から数℃以内でなされるならば、このような温度の影響は、測定結果を変更するには小さすぎる。しかしながら、温度変化が、数℃を超えるならば、温度補償のための方法を使用する必要がある。同様に、環境ノイズは、システムが置かれる場所に依存するため、ノイズフィルタリングは、環境の詳細に適合されてもよい。

以下に記載されるように、温度補償アルゴリズムの使用は、信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を増加させ、それによって、測定感度が改善されることが見出された。

本発明の正規化差分短時間フーリエ変換（ＮＤ−ＳＴＦＴ）の実施形態は、アクセス位置の限られた数および領域（最小２つであり、送信された音響信号の励振および受信のためにパイプの２端部、これによって、２つの変換器の間の部位が監視される。）からの音響の調査を用いた、パイプ、容器および構造物における腐食の検出を含む。典型的には、送信および受信変換器は、約１０フィートから約１００フィートのパイプの表面に亘って、その間に、監視される部分を含むように、均一に分配される。パイプ部は、直線状、湾曲状、フランジ状、またはその上に溶接部を有し得るようであってもよい。パイプ部は、大抵の場合、１０フィートと１００フィートの間であってもよく、本方法は、パイプの断面寸法が、パイプの長さよりもはるかに小さいような状態に同様に適用可能である。パイプに取り付けられた大きなフランジ、Ｔ字部、または４股もしくは６股の分岐部は、別々に監視されてもよい。

ここで、本発明の本実施形態の詳細において、参照がなされ、その例が、添付の図面において示される。図面において、同様の構造は、同一の参照符号を用いて特定される。図面は、本発明の特定の実施形態を記載する目的のものであって、それに本発明を限定することを意図されるものではないことが理解される。ここで、図１Ａを参照すると、本発明の方法の実施形態を実施するための装置１０の概略図が示されている。信号源１２は、直線状のパイプ部または容器区分１８の一端部に設けられて示された１つまたは複数の送信変換器１６に、アンプ１４によって増幅された、選択された超音波信号を供給する。パイプまたは容器区分１８を通して伝搬された音響信号は、送信変換器１６からパイプまたは容器区分１８の反対側の端部に配置された受信変換器２０によって検出される。受信変換器２０によって生成した電気信号は、アンプ２２によって増幅され、フィルタ２４によってフィルタリングされ、信号受信器２６に向かう前に信号源１２と同期化される（信号源１２に対して特定の時間遅延でトリガされる）。これらの信号は、信号受信器２６によって処理され、処理された信号は、データの取得および解析のために、コンピュータ２８に送られる。また、コンピュータ２８は、要素１２、１４、２２、２４および２６を制御する。

各変換器に別々のプリアンプおよびフィルタモジュールが用いられてもよく、全ての電子部品は、同軸ケーブルまたはＵＳＢケーブルを用いて、互いに結線される。この構成において、送信または受信センサとして、任意の変換器を用いるためには、ワイヤの再接続が要求されるが、全ての変換器は、同じものであり、修正なしで、送信または受信センサとして機能し得る。センサおよび通信装置のネットワークは、機器制御、データ取得、およびデータ解析のために、全てワイヤレスで中央コンピュータに接続され、複数の変換器を収容するために使用してもよい。各センサは、固有のＲＦＩＤタグ、および送信もしくは受信機能の両方に対する集積電子モジュールを有することになる。このようなデュアル機能によって、システムを容易に再構成可能にし、欠陥または故障のあるセンサ成分に対する堅牢性を高めることになる。センサおよび集積モジュールに対する電力は、たとえば、バッテリによって供給されてもよく、充電エネルギーは、太陽光発電から得られてもよい。

容器は、区分において監視されてもよく、各区分は、比較的均一な壁の肉厚を有し、物理的に近接している。容器区分が、溶接されたリブまたは他の物理的な取り付けのような著しい不均一性を有するならば、（複数の）送信変換器および（複数の）受信変換器が用いられてもよい。送信および受信変換器の数は、その区分の不均一性およびその区分の面積の大きさに比例することになる。送信変換器の数の増加によって、より均一な音響励振をすることができ、区分の「全ての」部分のサンプリングは、腐食および他の欠陥の検出のより良い感度、選択性ならびに堅牢性をもたらすことになる。さらに、受信変換器の数の増加によって、システムに冗長性が導入され、本方法を、より信頼可能および堅牢にすることになる。

図１Ｂは、より複雑な一連の取り付けられたパイプ部１９を有するパイプ組立体（２つの９０°の曲管、８つの溶接継手、および１対のフランジを有する、長さ１０５フィート、直径８インチのスケジュール４０の炭素鋼パイプであり、組立体は、１０個の台座で支持される）の概略図であり、パイプ組立体は、本発明の実施形態に従って、監視することができる。均等に間隔を空けた（約２５フィート離れている）５つの変換器１６、２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび２０ｄは、湾曲部３０（２つの９０°の曲管）を有するパイプの約１００フィートの部分に沿って、恒久的に取り付けられている。１つの変換器１６のみが、送信変換器（図１Ａ）として特定されるが、５つの変換器の全てが、送信および受信の両方をしてもよい。１〜４の印を付されたゾーンは、最近接のセンサが、送信および受信のために用いられる際に、図１Ａに示された装置を用いたパイプの最小調査領域（長さ約２５フィート）を画定する。たとえば、第４ゾーンは、第４センサ２０ｃと第５センサ２０ｄとの間のパイプ組立体の約２５フィートの部分であり、フランジ接続部３２と材料除去領域３４とを含む。より長い長さの領域は、さらに分離されたセンサを用いることによって、調査してもよい。たとえば、４つのゾーンの全てが、励振（送信）センサとして第１センサ１６、および受信センサとして第５センサ２０ｄを用いることによって、同時に調査されてもよい。３つの溶接部３６ａ〜３６ｃも、市販のセンサアレイカラー（sensor array collar）３８として、図示されている。

最適信号伸張（optimal signal stretch：ＯＳＳ）法などの既存の温度補償方法は、全ての予想される結果の複数の反復を通して、伸張因子を推定するが、計算上、非効率的である。さらに、これらの方法は、純粋な時間伸張効果を有する単純な幾何学形状に最も適しているが、本方法の実施形態は、時間伸長だけでなく信号歪み効果を有する、より複雑な幾何学形状に適用可能である。

上述のように、取り付けられた各変換器は、送信変換器および受信変換器の両方として機能してもよく、したがって、相互接続されたパイプおよび容器区分のネットワークが監視される際に、一定の隣接パイプ部または容器区分に余分な変換器を取り付ける必要がなくなる。

パイプ部の長さに沿った複数のセンサを用いてパイプ区分を監視することによって、変化が発生した場所の付加的な局在化情報が得られる。隣接ゾーンにおける信号の振幅を監視することによって、ゾーンにおける支配的な壁損失の位置をいくらか推定することが可能である。具体的には、隣接ゾーンにおける信号の振幅は、共通の送信変換器から支配的な壁損失までの距離の関数として、減少する。支配的な壁損失の位置を推定するために利用され得る別の隣接効果は、支配的な散乱信号の到達時間に関係する。隣接ゾーンを起点とする支配的な散乱信号の遅延時間は、隣接ゾーンの他端の送信変換器および受信変換器から支配的な壁損失の領域までの距離に関係する。

（Ａ．本発明のＮＤ−ＳＴＦＴ法の実施形態）
（１）本発明のＮＤ−ＳＴＦＴ法の一実施形態は、以下のステップを含む。
（ａ）約１から約１００Ｖの間の信号強度、約１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの間のスペクトル成分を有する周波数チャープ信号を選択する。１／８インチから４インチの間の範囲の壁の肉厚を有するパイプおよび容器において、ｋＨｚ〜ＭＨｚの周波数で音響信号の伝播をサポートする数個の縦、ねじれ、および曲げモード（それぞれ、Ｌ、ＴおよびＦモード）がある。したがって、このような音響モードは様々な欠陥および機械的摂動に対して高感度であり、（数百フィートまでの）長距離伝播でも著しい消散もしないので、約１ｋＨｚから約１ＭＨｚの間に、より有利には、約１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの間の範囲が、腐食および他の欠陥の音響調査に効果的である。約０．１ｍｓから約１０ｍｓの間の継続時間、および約１０ｍｓから約１０００ｍｓの間の繰返し率が、調査する励振信号に有用である。
（ａ）第１受信信号（ベースラインまたは基準信号）を時間平均（約６４回から約４０９６回の間の繰返し）、およびフィルタリング（バンドパス、および／またはローパス、および／またはハイパス）する。
（ｂ）ＡＣ成分のみが残るように、第１受信信号からＤＣ成分を除去する。
（ｃ）第２受信信号（監視信号または測定値）を得るために、ステップ（ａ）〜（ｃ）を繰り返す。
（ｄ）いずれかの信号における最大強度成分が、たとえば、１のような選択された数と等しくなるように、第１信号および第２信号の信号強度を正規化する。
（ｅ）選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップで、時間平均された第１および第２のＡＣ受信信号のＳＴＦＴを実施する（たとえば、１ｋＨｚの周波数増分および１００ｎｓの時間増分を有する、１０２４のハミング窓サイズ、および３２のステップサイズが、長さ２０フィート、直径２−３／４インチ（壁の肉厚１／４インチ）のパイプに用いられた）。
（ｆ）摂動が予想される際、または定常テスト中の、選択された時間Ｔでのベースラインまたは基準のＳＴＦＴ、およびＴ＝０でのベースラインまたは基準のＮＤ−ＳＴＦＴのものと同様の手法で得られる正規化された第１および第２のＳＴＦＴの２次元表面／等高線マップの間の差分を取り、新規のＳＴＦＴの２次元表面／等高線マップを作成し、これが、音響モード間のエネルギー損失およびエネルギー利得を示している。
（ｇ）２次元マップにおいて（１つまたは複数の）散乱事象（または、（１つもしくは複数の）事象セット）が識別され得る（１つまたは複数の）特定の周波数−時間モード対を特定する（散乱事象は、ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおいて、対応する窪みまたは谷（負信号）を伴って、突起または山（正信号）として現れる。）。
（ｈ）ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおいて、最大高度を有する特徴の山および最小深度を有する対応する特徴の谷との間の振幅の差分（すなわち、最大信号差分）を計算する。

上述の方法の実施形態において、ステップ８に従って計算される最大信号差分（または、ＮＤ−ＳＴＦＴ信号範囲）を用いることは、２次元データをスカラにマッピングする１つの方法である。「実施例」において記載されるように、この手法は、パイプ部または容器区分における腐食または欠陥のレベルを定量化するために成功裏に用いられてきており、パイプおよび容器に対する、機械的摂動（材料損失または材料付加）のレベルと、ＮＤ−ＳＴＦＴ信号範囲との間で、単調で略直線的な関係となることが見出されている。

他のマッピング法が、本発明者らによって熟考される。たとえば、２次元ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおいて、（１つまたは複数の）特定の周波数−時間モード対（（１つまたは複数の）散乱事象、ならびに対応する山および谷）を特定するために、以下のように、相関法が使用されてもよい。
（２）（ａ）第１次元が時間であって他が周波数である２次元ＮＤ−ＳＴＦＴ表面等高線マップ上において、２次元自己相関を行い、それによって、２次元自己相関マップが作成される。
（ｂ）ＮＤ−ＳＴＦＴの山−山または谷−谷の相関として、「自己相関の山」を特定し、ＮＤ−ＳＴＦＴの山−谷の相関として、「自己相関の谷」を特定する。
（ｃ）負の「自己相関の谷」のみを用いて、「修正２次元自己相関マップ」が作成される。
（ｄ）まず、周波数次元で纏め、その後に、時間次元で標準偏差を計算することによって、１つの数字の、自己相関された散乱標準偏差に、「修正２次元自己相関マップ」における情報を縮小する。
ＮＤ−ＳＴＦＴの山−谷の相関は、２次元自己相関マップにおいて「自己相関の谷」として現れるが、これらは、腐食、欠陥、等によって生じる散乱事象に直接関係するので、重要である。したがって、正の「自己相関の山」は、散乱事象の直接的な情報を含まないので、数値的にはマップから除去される。

本発明のＮＤ−ＳＴＦＴ法の別の実施形態は、以下のステップを含む。
（３）（ａ）約１から約１００Ｖの間の信号強度、約１ｋＨｚから約１ＭＨｚの間、またはより有利には、約１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの間のスペクトル成分を有する周波数チャープ信号を選択する（１／８インチから４インチの間の範囲の壁の肉厚を有するパイプおよび容器において、ｋＨｚ〜ＭＨｚの周波数で音響信号の伝播をサポートするいくつかの縦、ねじれ、および曲げモード（それぞれ、Ｌ、ＴおよびＦモード）がある。したがって、このような音響モードは様々な欠陥および機械的摂動に対して高感度であり、（数百フィートまでの）長距離伝播でも著しい消散もしないので、１０ｋＨｚから２００ｋＨｚの間の範囲が、腐食および他の欠陥の音響調査に効果的である。）。約０．１ｍｓから約１０ｍｓの間の継続時間、および約１０ｍｓから約１０００ｍｓの間の繰返し率が、調査する励振信号のためのパラメータとして有用である。
（ｂ）第１受信信号（ベースラインまたは基準信号）を時間平均（約６４回から約４０９６回の間の繰返し）、およびフィルタリング（バンドパス、および／またはローパス、および／またはハイパス）する。
（ｃ）ＡＣ成分のみが残るように、受信信号からＤＣ成分を除去する。
（ｄ）摂動が予想される際、または定常テスト中の、選択された時間Ｔでのベースラインまたは基準信号、およびＴ＝０でのベースラインまたは基準のものと同様の手法で得られる第２受信信号を得る（測定を後に監視）ために、ステップ（ａ）〜（ｃ）を繰り返す。
（ｅ）各信号における最大強度成分が、たとえば、１のような選択された数と等しくなるように、第１信号および第２信号の信号強度を正規化する。
（ｆ）第２受信信号とベースライン信号との間の差分を取り、摂動が予想される際、または定常テスト中の、選択された時間Ｔで、「差分信号」を形成する。
（ｇ）選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて「差分信号」のＳＴＦＴを実施する（たとえば、１ｋＨｚの周波数増分、１００ｎｓの時間増分を有する、１０２４のハミング窓サイズ、および３２のステップサイズが、長さ２０フィート、直径２−３／４インチ（壁の肉厚１／４インチ）のパイプに用いられた）。
（ｈ）まず、各周波数（１次元配列）に対する時間軸に沿って、ＳＴＦＴ配列の標準偏差を計算し、その後に、このように計算された１次元の標準偏差を合算してスカラを得ることによって、２次元ＳＴＦＴ配列から「正規化された実行可能な出力」（スカラ数）を計算する。

（Ｂ．温度補償）
上述のように、超音波は、構造要素の厚さを貫通して、長い距離を進行し得るものであって、空間的に分配された少数の超音波センサを用いることによって、ベースライン減算によって損傷が検出されて、大領域を１度に全て調査することができる。環境および作業条件が変化する際に、伝播媒体および超音波の挙動も変化し、環境および作業の影響から損傷を区別する際のベースライン比較の効力を制限する。大抵の不変的な環境の影響は、温度変化である。構造監視用途において、異なった条件下での効力を変えるように、多くの方法が、温度を補償するために開発および実行されてきた。本方法の実施形態の教示に従って、効果的な温度補償が、テスト条件の広範なセットのために提供される。１）鏡面および拡散レジームにおけるマルチモード、またはハイブリッドモードを有する超音波励振、２）多重反射を含む均質および不均質媒体における超音波伝播、ならびに広いスペクトルおよび広い時間範囲の信号、３）実際の全体または局所温度を知る必要なく、調査媒体における広範囲の全体および局所的な温度変動を伴う自律補償。

温度補償のための本方法の実施形態は、マルチおよびハイブリッドだけでなくシングルモードに対して、広範囲の反射成分を有する均質および不均質の媒体に対して、ならびに、全体および局所温度の変化の双方が存在する際に、効果的である。単一の時間伸張因子は、局所的および全体的な温度変化がある現実世界の監視システムにおいて温度影響を適切に補償するために十分でなく、現実的な構造体は、様々な度合いの不均質性（対応する様々な量の反射となる）を有することになり、様々な温度の影響を有する超音波伝搬についての様々なモードをサポートすることになる。このように、本方法は、他の温度補償法において共通して用いられる単一の時間伸長係数に代えて、時間遅延係数の適切なセットを生成する。

超音波信号は、受信センサに到達した際に、パイプ内において遭遇する位相シフトの全てを蓄積し、このように移送シフトされたモードおよび反射の全てが、結合して、複雑な波形を形成する。この波形は、時間的に分布する。以下に記載されるように、この時間分布波形は、ビンに分割され、波形区分の各ビンは、単一の遅延係数を用いて、温度補償される。各ビンの遅延係数は、調査媒体における局所的または全体的な温度変化の直接的な知見なしに、現実の時間で測定されたデータと、以前に測定されたベースラインのデータとの間の相互相関を用いて、計算される。各ビンに対する時間遅延は、相互相関関数のピーク位置である。各ビンが、一度、温度補償されると、ビンは、結合されて、温度補償された波形を形成する。

ビンの最小サイズは、着目した超音波の最小波長によって決定され、ビンの最大サイズは、補償されるべき位相シフトの時間遅延依存性によって、決定される。実際には、ビンのサイズは、経験的または理論的に、最適化され、実用的なＵＳＨＭシステムにおける適切な温度補償のためには、通常、約０．０１ｍｓから約１ｍｓの間である。ビンの数も、監視システムの仕様に依存する。実際には、約１０から約１０００の間で変動し得る。

本方法の実施形態は、以下のものを含む変化に対するパイプおよび容器のための、高感度で、且つ選択的な診断を提供する。
１．腐食の前駆物質となり得る、パイプ／容器の壁上への水分の蓄積。
２．腐食の前駆物質となり得る、塗料の著しい欠けまたは著しい絶縁劣化。
３．マイクロクラックおよび他の機械的な劣化に繋がり得る、パイプの過度の撓み。
４．パイプの完全性の局所劣化に繋がり得る、パイプまたは容器壁へ強く寄りかかった固体物。
５．流動問題および／または内部腐食に繋がり得る、パイプ壁の内部閉塞またはパイプ詰まり。

長さ５０フィートの１６インチ×２インチのパイプ壁部において、０．１％未満の体積変化が検出された。

本発明が一般的に記載されたので、以下の例が、付加的な詳細を提供する。実施例１〜４には、ＮＤ−ＳＴＦＴ法（１）が記載されている。

（実施例１）
パイプ壁上への小さな磁石の取り付けによる材料付加の影響が実証される。

図２は、直径１０インチ、および壁の肉厚１／２インチを有する腐食された空のパイプに沿って、２０フィート伝送後の受信信号を示しており、その受信信号は、ベースラインとして用いられる。伝送された線形チャープは、１ｍｓの継続時間で、５ｋＨｚから２００ｋＨｚの間に、最大振幅１０Ｖであり、１００ｍｓ毎に繰り返された。図３は、図２で述べた直径１０インチ、および壁の肉厚１／２インチを有する腐食された空のパイプに沿って、２０フィート伝送後の同じ受信信号を示しているが、パイプは、１２個の小さな磁石がパイプ壁上に取り付けられて摂動されて、パイプ壁に約３％の局所体積変化が生じている。２つの正規化された信号は、第１印象では、時間／周波数領域において、わずかな差異を示している。

図４Ａ〜４Ｃは、上述で議論された図２および３において示された第１（ベースライン）および第２（摂動）信号の強度の差分を取って計算されたＮＤ−ＳＴＦＴ信号のグラフであって、各々、２個、４個、および１２個の磁石が取り付けられたものであり、一方、図５は、取り付けられた磁石の関数として、ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおける最大高度と最小深度との差分（すなわち、最大信号差分）のグラフである。

（実施例２）
長さ２０フィート、直径２−３／４インチ、壁の肉厚１／４インチを有する腐食されていないパイプのパイプ壁に、ポケット穴を開けることによる材料除去の影響。

図６は、除去された材料（または、ピットの体積比）の関数とした、ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおける最大高度と最小深度との差分（すなわち、最大信号差分）、すなわち、ＳＴＦＴの差分信号の強度のグラフである。

（実施例３）
容器の壁に穴を切削することによる材料除去の影響（この場合、容器区分は、容器全体である）であって、４つの送信変換器および１つの受信変換器が使用された。

図７は、非摂動（ベースライン）の受信信号のグラフであり、一方、図８Ａ〜８Ｃは、ＮＤ―ＳＴＦＴ信号のグラフである（ベースラインと、０．２ｃｃ、０．６ｃｃ、および１．２ｃｃの材料がそれぞれ切削によって除去された後との差分）。

図９は、空の容器について除去された材料の関数とした、ＮＤ−ＳＴＦＴマップの最大高度と最小深度との差分（すなわち、最大信号差分）のグラフである。

（実施例４）
容器の壁に磁石を取り付けることによる材料付加の影響（この場合、容器区分は、容器全体である）であって、４つの送信変換器および１つの受信変換器が使用された。

図１０は、空の容器について付加された材料（磁石）の関数とした、ＮＤ−ＳＴＦＴマップの最大高度と最小深度との間の差分（すなわち、最大信号差分）のグラフである。

（実施例５）
実施例５は、温度補償ＮＤ−ＳＴＦＴ法（３）を示している。

温度補償の例が、約１０５フィートの長さのパイプ組立体で行われた実験について、以下に挙げられる。図１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａおよび１３Ｂでは、２５フィートのセンサ間隔は、送信器として機能した変換器２０ａ、および受信器として機能した変換器２０ｂに対するものであり、５０フィートのセンサ間隔は、送信器として機能した変換器２０ｂ、および受信器として機能した変換器２０ｄに対するものであり、１０５フィートのセンサ間隔は、変換器１６および２０ｄに対するものである。

図１１Ａは、測定間に材料損失、変化、または付加がない状態で、温度補償されたおよび温度補償されていない信号の両方に対する、時間の関数としての、信号差分の振幅のグラフである。温度補償されていない信号差分は、時間領域において、その後の測定信号から基準（ベースライン）信号を減じることによって、計算されており、補償された信号差分は、上述のように、温度補償されたその後の測定信号から基準信号を減じるによって、計算されている。図１１Ａにおいて認められるように、差分信号の振幅が、温度補償後に、著しく減少している。すなわち、温度変化による疑似信号が、著しく減少している。このように、温度補償は、疑似信号レベルを減少させ、それによって、材料利得または損失の検出に対する感度限界が改善されるという結果となる。

図１１Ｂは、図１１Ａに示されるデータの各ビン（合計２５のビン）について計算された特定の遅延時間を示すグラフである。上述のように、これらの遅延時間は、各ビンにおける時間領域の波形をシフトするために用いられ、温度補償された信号は、各ビンからのそのような補償された波形の組合せから生成される。したがって、図１１Ａおよび１１Ｂは、信号に対する温度補償の効果、およびこの結果を達成するために各ビンについて計算された特定の遅延を示している。

各々、図１２Ａおよび１２Ｂは、２５のビンを用いた５０フィートの変換器間隔の同じ結果を示すグラフであり、図１３Ａおよび１３Ｂは、合計５０のビンを用いた１００フィートの変換器間隔の同じ結果を示すグラフである。図１１Ａおよび１１Ｂの傾きは、温度変化が正であるため、正となっているが、図１３Ｂのものは、温度変化が負であるため、負となっている。

温度補償の有効性は、補償ありの疑似差信号強度に対する補償なしの疑似差信号強度の比として定義される感度改善係数（sensitivity improvement factor：ＳＩＦ）を用いることによって、定量化し得る。表は、様々な変換器間の間隔において、および幾つかの全体および局所温度の変化に対して、異なるパイプに対するＳＩＦ値を纏めている。

キー
ＴＹＰＥ：パイプ部のタイプ；均一（直線） 対 不均一（屈曲部、曲管、フランジ接続部、等を含む）
ＤＩＡ：スケジュール４０のパイプ直径
ＤＩＳＴ：センサ間の間隔
ＴＥＭＰ：温度変化のタイプ；全体（調査領域において比較的均一） 対 局所（調査領域内において大きな勾配）
ΔＴ：有効温度変化
ＳＰＡＮ：補償される受信信号の時間幅
ＮＵＭＢ：補償に用いられるビンの全数
ＳＩＦ：感度改善係数

温度補償ありの本発明のＮＤ−ＳＴＦＴ法の実施形態（１）は、以下のステップを含む。
（ａ）約１から約１００Ｖの間の信号強度、約１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの間のスペクトル成分、約０．１ｍｓから約１０ｍｓの間の継続時間、および約１０ｍｓから約１０００ｍｓの間の繰返し率を有する周波数チャープ信号を選択する。
（ｂ）第１受信信号（ベースラインまたは基準信号）を時間平均（約６４回から約４０９６回の間の繰返し）、およびフィルタリング（バンドパス、および／またはローパス、および／またはハイパス）する。
（ｃ）ＡＣ成分のみが残るように、第１受信信号からＤＣ成分を除去する。
（ｄ）第２受信信号を得る（後の測定を監視）ために、ステップ（ａ）〜（ｃ）を繰り返す。
（ｅ）いずれかの信号における最大強度成分が、たとえば、１のような選択された数と等しくなるように、第１信号および第２信号の信号強度を正規化する。
（ｆ）受信信号をベースライン信号と比較することによって、受信信号の温度補償を実施する。
（ｇ）選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップで、時間平均された第１および第２のＡＣ受信信号のＳＴＦＴを実施する（たとえば、１ｋＨｚの周波数増分、１００ｎｓの時間増分を有する、１０２４のハミング窓サイズ、および３２のステップサイズが、長さ２０フィート、直径２−３／４インチ（壁の肉厚１／４インチ）のパイプに用いられた）。
（ｈ）摂動が予想される際、または定常テスト中の、選択された時間Ｔでのベースラインまたは基準のＳＴＦＴ、およびＴ＝０でのベースラインまたは基準のＮＤ−ＳＴＦＴのものと同様の手法で得られる正規化された第１および第２のＳＴＦＴの２次元表面／等高線マップの差分を取り、新規のＳＴＦＴの２次元表面／等高線マップを作成し、これが、音響モード間のエネルギー損失およびエネルギー利得を示している。
（ｉ）２次元マップにおいて（１つまたは複数の）散乱事象（または、（１つもしくは複数の）事象セット）が識別され得る（１つまたは複数の）特定の周波数−時間モード対を特定する（散乱事象は、ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおいて、対応する窪みまたは谷（負信号）を伴って、突起または山（正信号）として現れる）。
（ｊ）ＮＤ−ＳＴＦＴマップにおいて、最大高度を有する特徴の山および最小深度を有する対応する特徴の谷との間の振幅の差分（すなわち、最大信号差分）を計算する。

また、温度補償ありの本発明のＮＤ−ＳＴＦＴ法の実施形態（３）は、以下のステップを含む。
（ａ）約１から約１００Ｖの間の信号強度、約１ｋＨｚから約１ＭＨｚ、または、より有利には、約１０ｋＨｚから約２００ｋＨｚの間のスペクトル成分、約０．１ｍｓから約１０ｍｓの間の継続時間，および約１０ｍｓから約１０００ｍｓの間の繰返し率を有する周波数チャープ信号を検査励振信号として選択する。
（ｂ）受信信号を時間平均（約６４回から約４０９６回の間の繰返し）、およびフィルタリング（バンドパス、および／またはローパス、および／またはハイパス）する。
（ｃ）ＡＣ成分のみが残るように、受信信号のＤＣ成分を除去する。
（ｄ）最大強度成分が、たとえば、双方とも１のような選択された数と等しくなるように、第１信号および第２信号の信号強度を正規化する。
（ｅ）受信信号をベースライン信号と比較することによって、受信信号の温度補償を実施する。
（ｆ）温度補償された受信信号とベースラインまたは基準信号との間の差分を取り、摂動が予想される際、または定常テスト中の、選択された時間Ｔでの差分信号を形成する。
（ｇ）選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップで差分信号のＳＴＦＴを実施する。
（ｈ）各周波数（１次元配列）に対する時間領域に沿って、ＳＴＦＴ配列の標準偏差を計算し、その後に、各周波数でこのように計算された１次元の標準偏差を合算してスカラを得ることによって、実行可能な出力（たとえば、パイプの交換または修理のような改善措置が取られる必要があるか否かを決定するために用いられるスカラ数）を２次元ＳＴＦＴ配列から計算する。

実験的証拠は、異なるモードが存在し、媒体が均質でなく、著しい散乱波があり、全体的だけでなく局所的な温度変化があり、一方、シミュレーションまたは実際の損傷による波形変化への疑似影響が小さい場合に、この手順が温度影響を適切に補償することを示している。

図１４は、１００フィートのセンサ間の間隔について、図１Ｂに記載された長さ１０５フィートのパイプ組立体に対する累積局所体積損失の関数として、正規化された実行可能な出力（スカラ）のグラフである。パイプの壁における体積損失は、切削機によりパイプの壁から材料を除去することによって、シミュレーションされた。局所体積損失が０．１から０．８％の間で、パイプの軸方向に沿って、シャドウ効果（shadowing effect）が小さくなるように、四角形状のポケットで、材料が除去された。１％および１．２％に対するデータは、最後の四角ポケットに対して材料が周方向に除去された際に、得られた。この場合、著しいシャドウ効果は、認められなかった。これらの結果は、本方法の実施形態が、著しい不均一性（フランジ、曲管、屈曲部、スタンド接続など）があっても、長い距離に適用可能であり、広い範囲（０．１〜１％の局所体積損失）にわたって線形であることを示している。感度限界は、この例では、体積損失約０．１％であって、温度変化における作業環境の影響および本温度法の有効性によって、決定される。局所体積損失０．１％の感度限界は、±３℃の環境温度の変動に対して、維持される。±１０℃の温度の変動に対して、この感度限界は、約０．５％に拡大する。

本方法の実施形態は、容器、パイプ、飛行機、鉄道、橋、およびビルディングのような広範囲の設計構造物を監視するのに用いられてもよい。

上述の本発明の明細書は、図示および説明の目的で提供されるものであって、網羅的であること、または開示された通りの形態に本発明を限定することを意図したものでなく、上記の教示に照らして、多くの修正および変形が可能であることが明白である。本発明の原理およびその実施用途を最良に説明し、それによって、他の当業者が、特定の期待される使用に適するように、様々な形態において、および様々な実施用途とともに、本発明を最良に利用できるように、実施形態が選択され、記載された。発明の範囲は、これに添付された請求の範囲によって画定されることを意図している。

Claims (38)

1. 壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法であって、
   前記金属構造体の前記外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、
   前記金属構造体の前記外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、
   選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、
   前記少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、
   ベースライン信号を、
   前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
   選択された数の受信された振動信号を平均化し、
   平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
   生成するステップと、
   監視信号を、
   前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
   選択された数の受信された振動信号を平均化し、
   平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
   生成するステップと、
   監視信号をベースライン信号に正規化し、それによって、ベースライン信号および監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、
   選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて、ベースライン信号および監視信号の短時間フーリエ変換を実施するステップと、
   正規化された前記監視信号と正規化された前記ベースライン信号との間の差分を取って、それによって、２次元の等高線マップを形成するステップと、
   前記等高線マップにおいて少なくとも１つの周波数−時間モード対を特定するステップであって、少なくとも１つの周波数−時間モード対の１つの特徴が、最大の正値を有し、少なくとも１つの周波数−時間モード対の対応する特徴が、最大の負値を有する、特定するステップと、
   最大の正値と最大の負値との間の振幅差分を計算するステップと
   を含む方法。
2. 前記監視信号を前記ベースライン信号に正規化する前記ステップの後に、前記ベースライン信号を比較信号として用いて前記監視信号の温度補償を実施し、それによって、温度補償された監視信号を生成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 温度補償を実施する前記ステップは、
   時間の関数として、前記監視信号を、選択された数の同じ継続時間の時間ビンに分割し、
   各時間ビンにおける前記監視信号および前記ベースライン信号に対する相互相関関数を計算し、
   各時間ビンに対する相互相関関数のピークを見つけることによって、各時間ビンに対する時間シフトを決定し、
   そのビンに対するシフトされた時間での前記監視信号の値に対応する各ビンに前記監視信号の値を割り当て、それによって、温度補償された監視信号が発生させられる、
   ことを含む、請求項２記載の方法。
4. ベースライン信号を生成する前記ステップ、および監視信号を生成する前記ステップの両方に対する前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した前記振動信号を受信する前記ステップの後に、受信された前記振動信号をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
5. 前記チャープ信号は、約１ｋＨｚと約１ＭＨｚとの間のスペクトル成分を有する、請求項１記載の方法。
6. 前記伸長された金属構造体は、一定の長さの金属パイプ、金属パイプ組立体、フランジ、曲管、Ｔ字管、継手、溶接部、容器、貯蔵タンク、および貯蔵容器から選択される少なくとも１つの構造体を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記監視信号は、前記ベースライン信号が生成された後に生成される、請求項１記載の方法。
8. ２つの隣接するパイプ区分に対する前記監視信号における変化を比較するステップをさらに含み、それによって、区分の１つの内での前記金属構造体への変化の局在性が判定される、請求項１記載の方法。
9. 壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法であって、
   前記金属構造体の前記外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、
   前記金属構造体の前記外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、
   選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、
   前記少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、
   ベースライン信号を、
   前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
   選択された数の受信された前記振動信号を平均化し、
   平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
   生成するステップと、
   監視信号を、
   前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
   選択された数の受信された振動信号を平均化し、
   平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
   生成するステップと、
   前記監視信号を前記ベースライン信号に正規化し、それによって、前記ベースライン信号および前記監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、
   前記監視信号と前記ベースライン信号との間の差分を取り、差分信号を形成するステップと、
   選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて、前記差分信号の短時間フーリエ変換を実施し、それによって、時間および周波数の２次元配列を形成するステップと、
   各周波数に対する時間軸に沿った前記短時間フーリエ変換の配列の標準偏差を計算するステップと、
   周波数の関数として、前記標準偏差を合計するステップと
   を含む方法。
10. 前記監視信号を前記ベースライン信号に正規化する前記ステップの後に、前記ベースライン信号を比較信号として用いて前記監視信号の温度補償を実施し、それによって、温度補償された監視信号を生成するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 温度補償を実施する前記ステップは、
    時間の関数として、前記監視信号を、選択された数の同じ継続時間の時間ビンに分割し、
    各時間ビンについて前記監視信号および前記ベースライン信号に対する相互相関関数を計算し、
    各時間ビンに対する相互相関関数のピークを見つけることによって、各時間ビンに対する時間シフトを決定し、
    そのビンに対するシフトされた時間での前記監視信号の値に対応する各ビンに前記監視信号の値を割り当て、それによって、温度補償された監視信号が発生させられる、
    ことを含む、請求項１０記載の方法。
12. ベースライン信号を生成する前記ステップ、および監視信号を生成する前記ステップの両方に対する前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信する前記ステップの後に、受信された振動信号をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
13. 前記チャープ信号は、約１ｋＨｚと約１ＭＨｚとの間のスペクトル成分を有する、請求項９記載の方法。
14. 前記伸長された金属構造体は、一定の長さの金属パイプ、金属パイプ組立体、フランジ、曲管、Ｔ字管、継手、溶接部、容器、貯蔵タンク、および貯蔵容器から選択される少なくとも１つの構造体を含む、請求項９記載の方法。
15. 前記監視信号は、前記ベースライン信号が生成された後に生成される、請求項９記載の方法。
16. ２つの隣接するパイプ区分に対する前記監視信号における変化を比較するステップをさらに含み、それによって、区分の１つの内での前記金属構造体への変化の局在性が判定される、請求項９記載の方法。
17. 壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法であって、
    前記金属構造体の前記外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、
    前記金属構造体の前記外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、
    選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、
    前記少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、
    ベースライン信号を、
    前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
    選択された数の受信された振動信号を平均化し、
    平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
    生成するステップと、
    監視信号を、
    前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
    選択された数の受信された振動信号を平均化し、
    平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
    生成するステップと、
    前記監視信号を前記ベースライン信号に正規化し、それによって、前記ベースライン信号および前記監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、
    選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて、前記ベースライン信号および前記監視信号の短時間フーリエ変換を実施するステップと、
    正規化された前記監視信号と正規化された前記ベースライン信号との間の差分を取って、それによって、２次元等高線マップを形成するステップと、
    第１次元を時間とし、第２次元を周波数とする２次元等高線マップにおいて２次元自己相関を実施し、それによって、２次元自己相関マップとするステップと、
    前記２次元等高線マップにおいて、山−山、または谷−谷の相関として自己相関の山を、山−谷の相関として自己相関の谷を特定するステップと、
    負の自己相関の谷だけを用いて、修正された２次元自己相関マップを生成するステップと、
    周波数領域に亘って纏めるステップと、
    時間次元に亘って、修正された２次元自己相関マップから標準偏差を計算し、それによって、数値を得るステップと、を含む方法。
18. 前記監視信号を前記ベースライン信号に正規化する前記ステップの後に、前記ベースライン信号を比較信号として用いて前記監視信号の温度補償を実施し、それによって、温度補償された監視信号を生成するステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。
19. 温度補償を実施する前記ステップは、
    時間の関数として、前記監視信号を、選択された数の同じ継続時間の時間ビンに分割し、
    各時間ビンにおける前記監視信号および前記ベースライン信号に対する相互相関関数を計算し、
    各時間ビンに対する相互相関関数のピークを見つけることによって、各時間ビンに対する時間シフトを決定し、
    そのビンに対するシフトされた時間での前記監視信号の値に対応する各ビンに前記監視信号の値を割り当て、それによって、温度補償された監視信号が発生させられる、
    ことを含む、請求項１８記載の方法。
20. ベースライン信号を生成する前記ステップ、および監視信号を生成する前記ステップの両方に対する前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した前記振動信号を受信する前記ステップの後に、受信された前記振動信号をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。
21. 前記チャープ信号は、約１ｋＨｚと約１ＭＨｚとの間のスペクトル成分を有する、請求項１７記載の方法。
22. 前記伸長された金属構造体は、一定の長さの金属パイプ、金属パイプ組立体、フランジ、曲管、Ｔ字管、継手、溶接部、容器、貯蔵タンク、および貯蔵容器から選択される少なくとも１つの構造体を含む、請求項１７記載の方法。
23. 前記監視信号は、前記ベースライン信号が生成された後に生成される、請求項１７記載の方法。
24. ２つの隣接するパイプ区分に対する前記監視信号における変化を比較するステップをさらに含み、それによって、区分の１つの内での前記金属構造体への変化の局在性が判定される、請求項１７記載の方法。
25. 壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法であって、
    前記金属構造体の前記外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、
    前記金属構造体の前記外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、
    選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、
    前記少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、
    ベースライン信号を、
    前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
    選択された数の受信された振動信号を平均化し、
    平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
    生成するステップと、
    監視信号を、
    前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
    選択された数の受信された振動信号を平均化し、
    平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
    生成するステップと、
    前記監視信号を前記ベースライン信号に正規化し、それによって、前記ベースライン信号および前記監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、
    比較信号として前記ベースライン信号を用いて、前記監視信号の温度補償を実施し、それによって、温度補償された監視信号を生成するステップと、
    選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて、前記ベースライン信号および温度補償された監視信号の短時間フーリエ変換を実施するステップと、
    正規化された前記監視信号と正規化された前記ベースライン信号との間の差分を取り、それによって、２次元の等高線マップを形成するステップと、
    前記等高線マップにおいて少なくとも１つの散乱事象を示す少なくとも１つの周波数−時間モード対を特定するステップであって、前記少なくとも１つの周波数−時間モード対の１つの特徴が、最大の正値を有し、前記少なくとも１つの周波数−時間モード対の対応する特徴が、最大の負値を有する、特定するステップと、
    最大の正値と最大の負値との間の振幅差分を計算するステップと
    を含む方法。
26. 温度補償を実施する前記ステップは、
    時間の関数として、前記監視信号を、選択された数の同じ継続時間の時間ビンに分割し、
    各時間ビンにおける前記監視信号および前記ベースライン信号に対する相互相関関数を計算し、
    各時間ビンに対する相互相関関数のピークを見つけることによって、各時間ビンに対する時間シフトを決定し、
    そのビンに対するシフトされた時間での前記監視信号の値に対応する各ビンに前記監視信号の値を割り当て、それによって、温度補償された監視信号が発生させられる、
    ことを含む、請求項２５記載の方法。
27. ベースライン信号を生成する前記ステップ、および監視信号を生成する前記ステップの両方に対する前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信する前記ステップの後に、受信された前記振動信号をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項２５記載の方法。
28. 前記チャープ信号は、約１ｋＨｚと約１ＭＨｚとの間のスペクトル成分を有する、請求項２５記載の方法。
29. 前記伸長された金属構造体は、一定の長さの金属パイプ、金属パイプ組立体、フランジ、曲管、Ｔ字管、継手、溶接部、容器、貯蔵タンク、および貯蔵容器から選択される少なくとも１つの構造体を含む、請求項２５記載の方法。
30. 前記監視信号は、前記ベースライン信号が生成された後に生成される、請求項２５記載の方法。
31. ２つの隣接するパイプ区分に対する前記監視信号における変化を比較するステップをさらに含み、それによって、区分の１つの内での前記金属構造体への変化の局在性が判定される、請求項２５記載の方法。
32. 壁および外面を有する、伸長された金属構造体における変化を検出および監視するための方法であって、
    前記金属構造体の前記外面と振動連通する少なくとも１つの音響送信変換器を配置するステップと、
    前記金属構造体の前記外面と振動連通し、少なくとも１つの送信変換器から、選択された長さだけ離間する少なくとも１つの受信変換器を配置するステップと、
    選択された信号強度、スペクトル成分、および継続時間を有する音響周波数チャープ信号を発生させるステップと、
    前記少なくとも１つの送信変換器にチャープ信号を送るステップと、
    ベースライン信号を、
    前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
    選択された数の受信された振動信号を平均化し、
    平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
    生成するステップと、
    監視信号を、
    前記受信変換器によって、前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信し、
    選択された数の受信された振動信号を平均化し、
    平均化された受信信号からＤＣ成分を除去することによって
    生成するステップと、
    前記監視信号を前記ベースライン信号に正規化し、それによって、前記ベースライン信号および前記監視信号のそれぞれの最大値が、選択された値と等しくなるステップと、
    比較信号として前記ベースライン信号を用いて、前記監視信号の温度補償を実施し、それによって、温度補償された監視信号を生成するステップと、
    前記温度補償された監視信号と前記ベースライン信号との間の差分を取って、差分信号を形成するステップと、
    選択された時間および周波数の窓サイズ、ならびに時間ステップを用いて、前記差分信号の短時間フーリエ変換を実施し、それによって、時間および周波数の２次元等高線マップを作成するステップと、
    各周波数に対する時間軸に沿った前記短時間フーリエ変換の配列の標準偏差を計算するステップと、
    周波数の関数として、前記標準偏差を合計するステップと
    を含む方法。
33. 温度補償を実施する前記ステップは、
    時間の関数として、前記監視信号を、選択された数の同じ継続時間の時間ビンに分割し、
    各時間ビンにおける前記監視信号および前記ベースライン信号に対する相互相関関数を計算し、
    各時間ビンに対する相互相関関数のピークを見つけることによって、各時間ビンに対する時間シフトを決定し、
    そのビンに対するシフトされた時間での前記監視信号の値に対応する各ビンに前記監視信号の値を割り当て、それによって、温度補償された監視信号が発生させられる、
    ことを含む、請求項３２記載の方法。
34. ベースライン信号を生成する前記ステップ、および監視信号を生成する前記ステップの両方に対する前記チャープ信号に応じて、前記金属構造体の壁において発生した振動信号を受信する前記ステップの後に、受信された振動信号をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項３２記載の方法。
35. 前記チャープ信号は、約１ｋＨｚと約１ＭＨｚとの間のスペクトル成分を有する、請求項３２記載の方法。
36. 前記伸長された金属構造体は、一定の長さの金属パイプ、金属パイプ組立体、フランジ、曲管、Ｔ字管、継手、溶接部、容器、貯蔵タンク、および貯蔵容器から選択される少なくとも１つの構造体を含む、請求項３２記載の方法。
37. 前記監視信号は、前記ベースライン信号が生成された後に生成される、請求項３２記載の方法。
38. ２つの隣接するパイプ区分に対する前記監視信号における変化を比較するステップをさらに含み、それによって、区分の１つの内での前記金属構造体への変化の局在性が判定される、請求項３２記載の方法。

Images