JP4542814B2 - 超音波検査方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、超音波イメージング方法に関し、より具体的には、工業用部品のフェーズド・アレイ超音波検査のための改良された表面近傍解像度に関する。

フェーズド・アレイイメージング超音波システムは、工業用検査における将来性のあるツールである。しかしながら、従来の超音波検査方法は、ある検査構成では表面近傍の解像度が不十分である。特に、検査対象内に超音波を合焦させるために、トランスデューサが検査対象（部分または構造体などであり、本明細書では総称して「部品」と呼ぶ）に極めて近接して配置される超音波検査を行うのが望ましい場合が多い。しかしながら、鍛造品のような工業用部品は、部品表面からの超音波の強い反射が発生する。これに対応する「境界面信号」は、比較的長い持続時間を有し、部品の表面近傍の欠陥を検出する能力を低下させてしまう。図１は、フェーズド・アレイ超音波を使用した部品の検査における従来の送信／受信パターンを示している。これに対応して予測される境界面信号が図２に示される。比較的長い境界面信号に起因して、部品の表面近傍の欠陥に対応する信号を特定し特徴付けることは困難であり、フェーズド・アレイ超音波検査の表面近傍の解像度を低下させる。

超音波検査におけるこの表面近傍の解像度問題は、様々な方法で対処されてきた。１つの解決法は、フェーズドアレイシステムの代りにトランスデューサを固定配置して従来の超音波検査を行うことである。「固定配置」によって、これはトランスデューサの焦点特性が固定されることを意味する。トランスデューサは、予め定められた経路（ラスター、円周など）に沿って数回部品の表面上をスキャンされ、各スキャンは部品の表面から異なる距離で行われる。トランスデューサと部品表面間の距離を調節することにより、連続するスキャンの各々が部品の中でさらにスキャンの焦点を移動させる。部品からの信号を監視するために使用される状態ゲートが、種々の深さの部品検査に合わせて移動される。この方法により欠陥の表面近傍の解像が可能になるが、反復的な部品の検査を伴うので時間がかかる。

例えば鍛造品のような、工業用部品を検査するための別の解決法は、図１を参照して上で説明された従来のフェーズド・アレイ検査技術を使用することである。不十分な表面近傍の解像度を補償するために、所望の最終寸法よりもわずかに大きく鍛造がなされる。検査後に、鍛造品は望ましい寸法まで機械加工される。材料の外側部分を除去することにより、不十分な表面近傍の解像度の重要性が低下する。しかしながら、この方法は、鍛造品の余分の材料を用い、かつ余分の機械加工段階を伴うことから高価なものとなる。
米国特許第５０６５６２９号

従って、検査対象の表面から種々の距離で繰り返しスキャンをする必要がなく、表面付近の解像度を改善する、航空機エンジン鍛造品の検査などの工業的用途の超音波検査方法を開発することが望まれる。

要約すると、本発明の１つの実施形態によれば、超音波検査方法は、アレイ内のトランスデューサの第１のセットを励振して部品に超音波エネルギーを導入する段階と、受信素子としてアレイのトランスデューサの第２のセットを用いて幾つかのエコー信号を発生させる段階と、エコー信号を処理する段階とを含む。トランスデューサの第１及び第２のセットは互いに排他的であり、かつ交互に配置される。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとより理解されることになろう。図面全体を通じて同じ特徴部は同じ部分を表している。

本発明の超音波検査方法を図３を参照して説明する。図示のように、この方法は、アレイ１４内のトランスデューサ１２の第１のセット１０を励振させて部品２０に超音波エネルギーを導入する段階を含む。第１のセット１０のトランスデューサ１２は、図３に文字「Ｔ」で示されており、本明細書では送信素子Ｔと呼ばれる。さらに、この方法は、受信素子としてアレイ内のトランスデューサの第２のセット１６を用いて幾つかのエコー信号を発生させる段階と、該エコー信号を処理する段階とを含む。受信素子は、図３に文字「Ｒ」で示されている。図３に示すように、トランスデューサの第１のセット１０及び第２のセット１６は、（１）互いに排他的で、かつ（２）交互に配置される。「互いに排他的」という語句は、トランスデューサ１２が、第１及び第２のセット１０、１６の両方の構成要素でないように、第１のセット１０の構成要素か、又は第２のセット１６の構成要素のいずれかであることを意味する。言い換えると、アレイ１４を形成する各トランスデューサ１２は、送信又は受信のいずれかを行うように制御される。「交互に配置される」という語句は、少なくとも１つの送信素子Ｔが、受信素子Ｒの間に位置し、かつ少なくとも１つの受信素子Ｒが送信素子Ｔの間に位置していることを意味する。トランスデューサの例示的な交互配置された第１及び第２のセット１０及び１６は、図３に示される交互のパターン、並びに図６及び図７に示されるパターンを含む。

例示的な超音波イメージングシステム１００が図５に示される。図示のように、第１のセット１０における各トランスデューサ１２は、例えば送信機３２によって発生されるパルスによって励振される。結果として生じた超音波エネルギーが部品２０を透過し、アレイ１４に反射される。エコー信号を発生させるために、アレイ１４に反射されて戻った超音波エネルギーは、第２のセット１６の各トランスデューサ１２によって電気信号（エコー信号）に変換され、受信機３４に別々に加えられる。図５に示す例示的なシステムにおいて、送信機３２及び受信機３４は、オペレータによるコマンド入力に応答するデジタルコントローラ３０によって制御される。エコー信号は、デジタルコントローラ３０の制御下で公知の画像化ソフトウェアを用いて処理して、表示システム３６上に表示することができる。

上述のように、超音波イメージングにおいて、境界面信号を低減すること、すなわち部品２０の表面２８からの超音波の反射に対応する信号を低減することが望ましい。有利には、交互に配置されたトランスデューサの独立したセットを用いた送受信は、図１の従来の送受信パターンを用いた場合に存在する、トランスデューサＴ／Ｒによって送信されて、表面から反射され、更に同じトランスデューサＴ／Ｒによって受信される超音波の境界面信号への影響を排除する。トランスデューサＴ／Ｒから表面２８、及び同じトランスデューサＴ／Ｒへ戻るこの音響経路は、図１の従来の送信／受信パターンにおいて最短の音響経路であるので、境界面信号の長さに望ましくない影響を及ぼす。こうした境界面信号への影響を排除することにより、境界面信号が減少し、その結果、部品２０の表面２８近傍の解像度が改善される。本発明の超音波検査法の表面近傍の解像度の改善は、図１１及び図１２を比較することによって示される。図１１は、従来の送受信パターンを用いて得られたエコー信号を示している。図示のように、境界面信号は長い持続時間を有する。対照的に、図１２に示される本発明の超音波検査法を用いて得られたエコー信号については、境界面信号が短いので、欠陥信号を分析するのがより容易である。

図３の構成において、アレイ１４と部品２０は、スタンドオフによって隔てられている。スタンドオフの厚さは、アレイ１４の設計に応じて決まる。工業用途において、例示的なスタンドオフは、水、油及びグリセリンなどの他の流体、機械加工されたウェッジ（シュー）、及びこれらの組み合わせを含む。シュー（図示せず）の実施例は、一方側でトランスデューサ表面の形状と合い、他方側で部品形状と結合するよう機械加工された固体構造である。シューは、アクリル板又はＬｕｃｉｔｅから形成される場合が多い。航空機エンジンの円盤状鍛造品２０のような工業用部品２０は、スタンドオフとは大きく異なる物質速度を有する。この物質速度の不一致が、表面２８からの超音波の反射を促進する。従って、上述の本発明の方法は、鍛造品２０のような工業用部品２０の超音波検査に特に望ましい。

上述の超音波検査方法は、アレイ１４の種々の寸法及びタイプを使用して行うことができる。例えば３２個のトランスデューサ１２を有する小さなアレイ１４を使用することができる。大きな検査領域を提供するために、アレイ１４は、例えば１２８又は１０２４個の多数のトランスデューサ１２を含むことができる。上述の超音波検査方法は、図６及び図７に実施例として示されるように、線形フェーズド・アレイ２２用に用いることができる。同様に、この超音波検査方法は、図８に実施例として示されるように、二次元フェーズド・アレイ２４、さらに図９に例証として示されるように、扇形フェーズド・アレイ２６にも使用できる。図６−図９の送信素子Ｔ及び受信素子Ｒとして構成されたトランスデューサ１２の交互配置パターンは、例示的なものである。

部品の焦点Ｐに超音波エネルギーを合焦するために、図１０を参照して説明される本発明の方法のさらに特定の実施形態において、遅延プロファイル｛Ｔ_k｝が用いられる。送信遅延プロファイルは、複数の送信遅延のセットを含む。例示的な送信遅延は、時間遅延及び／又は位相遅延を含み、図１０にＴ_kで示される。図１０に示すように、幾つかの励振信号パルスが、送信遅延プロファイル｛Ｔ_k｝で変調されて、幾つかの被変調励振信号パルスを発生させる。別々の被変調励振信号パルスを、第１のセット１０のトランスデューサ１２の各々に印加してトランスデューサ１２の第１のセット１０を励振させる。例えば、送信機３２は、第１のセット１０の連続するトランスデューサ素子１２に印加される各信号パルスに送信遅延を与える。送信遅延がゼロ（Ｔ_k＝０）の場合、第１のセット１０のトランスデューサ素子１２の全てが同時に励振され、結果として生じた超音波ビームが部品１０の表面２８に垂直に配向される。部品の焦点Ｐに超音波エネルギーを合焦するためには、アレイ１４の一方端（ｋ＝１）から他方端（ｋ＝Ｎ）までの各ｋ番目の信号パルスに加えられる送信遅延Ｔ_kが以下の式で表わされる。

Ｔ_k＝（ｋ-（Ｎ-１）／２）²ｄ²ｃｏｓ²θ／２Ｒｖ

ここで、Ｎは第１のセット１０の送信素子（トランスデューサ１２）の数であり、ｄは図１０に示されるように、第１のセット１０のトランスデューサ素子１２間の距離である。さらに、Ｒは、トランスデューサ１２の第１のセット１０の中心から焦点Ｐまでの範囲、ｖは部品２０の物質速度、θは表面垂直２１に対するビーム１７の入射角である。

特許出願2003-320679で説明されるように、送信遅延プロファイル｛Ｔ_k｝が部品２０の表面２８での超音波ビームの屈折に関して補償されることが望ましい。送信遅延Ｔ_kの以下の式により表面２８での超音波ビームの屈折が補償される。

Ｔ_k＝［ｋ-（Ｎ-１）／２］²ｄ²ｃｏｓ²θ／［２（Ｒ_wｖ_w＋Ｒ_sｖ_s）］

ここで、図１０に示されるように、Ｒ_wはスタンドオフ１９での中心ビーム軸１７に沿って延びるビームの長さ、ｖ_wはスタンドオフ１９での物質速度、Ｒ_sは部品２０の中心ビーム軸１７に沿って延びるビームの長さ、ｖ_sは部品２０での物質速度である。

本発明の特定の機能だけについて本明細書で図示され説明してきたが、当業者であれば多くの修正及び変更が行えるであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

部品のフェーズド・アレイ超音波検査の従来の送信及び受信パターン。 図１の従来の送信及び受信パターンの予測される境界面信号。 本発明の超音波検査方法を示す図。 図３によって示される超音波検査方法の予測される境界面信号。 図３の超音波検査方法を行うための例示的な超音波イメージングシステムのブロック図。 送信及び受信素子として配置されたトランスデューサの例示的な交互配置パターンを示す図。 送信及び受信素子として配置されたトランスデューサの別の例示的な交互配置パターンを示す図。 例示的な二次元フェーズド・アレイ。 例示的な扇形フェーズド・アレイ。 ビーム合焦を用いた超音波検査方法を示す図。 図１の従来の送信及び受信パターンのエコー信号。 図３の超音波検査方法のエコー信号。

符号の説明

１０ トランスデューサの第１のセット
１４ アレイ
１６ トランスデューサの第２のセット
２０ 鍛造品

Claims (2)

1. 鍛造品（２０）を含む部品を検査するための表面近傍解像法であって、
   線形フェーズド・アレイ（２２）内のトランスデューサ（１２）の第１のセット（１０）を励振して鍛造品に超音波エネルギーを導入する段階と、
   受信素子として前記アレイのトランスデューサの第２のセット（１６）を用いて複数のエコー信号を発生させる段階と、
   前記エコー信号を処理する段階と、
   を含み、
   前記アレイ及び部品は、スタンドオフによって隔てられており、
   前記トランスデューサの第１及び第２のセットは互いに排他的であり、かつ交互に配置され、
   前記トランスデューサの第１のセットの前記励振段階が、送信遅延プロファイルを用いて複数の励振信号パルスを変調して複数の被変調励振信号パルスを発生させる段階と、前記第１のセットのトランスデューサの各々に別々の前記被変調励振信号パルスを印加する段階とを含み、
   前記送信遅延プロファイルが、前記部品の表面での超音波エネルギの屈折に関して補償するように構成され、該送信遅延プロファイルによる補償は、次式：
   Ｔ _k ＝［ｋ-（Ｎ-１）／２］ ² ｄ ² ｃｏｓ ² θ／［２（Ｒ _w ｖ _w ＋Ｒ _s ｖ _s ）］
   （ここで、Ｔ _k は前記アレイの一方端（ｋ＝１）から他方端（ｋ＝Ｎ）までの各ｋ番目の信号パルスに加えられる送信遅延、Ｎは前記第１のセットのトランスデューサの数、ｄは前記第１のセットのトランスデューサ素子間の距離、θは表面垂直に対するビームの入射角、Ｒ _w は前記スタンドオフでの中心ビーム軸に沿って延びるビームの長さ、ｖ _w は前記スタンドオフでの物質速度、Ｒ _s は前記部品の中心ビーム軸に沿って延びるビームの長さ、ｖ _s は前記部品での物質速度）
   により補償される
   ことを特徴とする表面近傍解像法。
2. 鍛造品（２０）を含む部品を検査するための表面近傍解像法であって、
   二次元フェーズド・アレイ（２４）内のトランスデューサ（１２）の第１のセット（１０）を励振して鍛造品に超音波エネルギーを導入する段階と、
   受信素子として前記アレイのトランスデューサの第２のセット（１６）を用いて複数のエコー信号を発生させる段階と、
   前記エコー信号を処理する段階と、
   を含み、
   前記アレイ及び部品は、スタンドオフによって隔てられており、
   前記トランスデューサの第１及び第２のセットは互いに排他的であり、かつ交互に配置され、
   前記トランスデューサの第１のセットの前記励振段階が、送信遅延プロファイルを用いて複数の励振信号パルスを変調して複数の被変調励振信号パルスを発生させる段階と、前記第１のセットのトランスデューサの各々に別々の前記被変調励振信号パルスを印加する段階とを含み、
   前記送信遅延プロファイルが、前記部品の表面での超音波エネルギの屈折に関して補償するように構成され、該送信遅延プロファイルによる補償は、次式：
   Ｔ _k ＝［ｋ-（Ｎ-１）／２］ ² ｄ ² ｃｏｓ ² θ／［２（Ｒ _w ｖ _w ＋Ｒ _s ｖ _s ）］
   （ここで、Ｔ _k は前記アレイの一方端（ｋ＝１）から他方端（ｋ＝Ｎ）までの各ｋ番目の信号パルスに加えられる送信遅延、Ｎは前記第１のセットのトランスデューサの数、ｄは前記第１のセットのトランスデューサ素子間の距離、θは表面垂直に対するビームの入射角、Ｒ _w は前記スタンドオフでの中心ビーム軸に沿って延びるビームの長さ、ｖ _w は前記スタンドオフでの物質速度、Ｒ _s は前記部品の中心ビーム軸に沿って延びるビームの長さ、ｖ _s は前記部品での物質速度）
   により補償される
   ことを特徴とする表面近傍解像法。

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