JP5024901B2 - チューブ状システムの非破壊検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して非破壊検査（ＮＤＴ）方法に関し、特にチューブ状の目的物に用いられる音響パルス反射測定（ＡＰＲ）方法に関する。

音響パルス反射測定とは、あるシステムの音響応答を測定するために用いる技術群に与えられる一般名称である。この測定を、剛体壁に大量の気泡が付着するシステムへ応用することが知られている。「ＡＰＲ」という用語は、励起パルス（もしくは「インパルス」）をシステムに適用すると、そのシステムの内側で反射が生成されて測定されるという事実から導かれたものである。このパルスは、「本物」である必要はなく、下記参照するように、疑似雑音または周波数スイープの形式であってもよい。様々なアルゴリズムがこの音響応答に適用されて、検査されているシステムにかかる情報が得られる。

理想的には、ＡＰＲは測定されているシステムの理論的インパルス応答を抽出できるはずである。実際にはこれは不可能である。なぜなら、理想パルスは無限の広帯域（ＢＷ）を有しているため実験室条件下で作り出すことができないからである。通常は、ごく微量の電気パルスをトランスデューサに適用して、継続時間が短くＢＷが可能な限り広い音響パルスを生成する。トランスデューサは、測定されているシステムまたは「目的物」にチューブを通じて結合しており、そのチューブの壁にはマイクロホンを備える。このマイクロホンは、目的物の励起パルスおよび反射の両方を測定できる。

図１は、従来のＡＰＲシステムの標準的な配置を示す。トランスデューサは音波を発し、その音波は２本のチューブを下って伝播する。左のチューブは長さL１を有し、右のチューブは長さＬ２を有する。長さＬ１およびＬ２は、測定する目的物に準じて変化するが、通常は３乃至６メートルである。波動は、マイクロホンを超えて伝播しているとして記録される。その後、波動が目的物に達して、チューブの反対方向に伝播する反射を生成する。これらの反射もマイクロホンを超えて伝わるとして記録される。２本のチューブが十分に長い場合、左右方向への伝播波は重ね合わさらずに別々に記録される。純粋な実験的観点から、この種の配置では、下記に示す幾つかの技術的問題に直面することになる。
１．音響パルスは、通常は大きな振幅を有しているが継続時間が極めて短い。この結果、パルスは低めのエネルギー含量を有することになる。これは、目的物から測定される反射において高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を得ることを困難にする。
２．目的物からの励起パルスと反射は有限の継続時間を有するから、マイクロホンにおいて該励起パルスと反射が重ね合わさることになる。これは、該励起パルスと反射とを分離することを非常に困難にする。
３．目的物からの反射は、最終的にはトランスデューサ本体まで下って伝わり、該本体に反射し、戻ってきてマイクロホンにより再測定される。この二次反射が、再度目的物の応答の測定を妨害する。

音響応答が測定された時点で、数種類の分析を応用することができる。大抵の場合、第一の段階は、反射パルスと励起パルスのデコンボリューションである（例えば非特許文献1
(以下「Amir 1」という)参照）。デコンボリューションは通常、周波数領域または特異値分解（ＳＶＤ）で分割することにより実施しなければならない。この理由は、励起パルスが平らなスペクトルを有することはめったにないからである。さらなる分析は、測定の目的と研究する目的物の幾何学的性質次第である。下記に示す異なる２つの適用においては、典型的な２つの問題が生じる。

「ボア復元（bore reconstruction）」 この種の適用では、検査されているシステムは、1次元であり（即ち、そのシステムの断面よりずっと長い）、長いチューブ形状であり、場合により様々な断面を有していると考えられる。最近の方法において、チューブ内で横モードが励起されることはないとみなされており、使用可能帯域幅が制限されるという事実がある。これは、可能な限り広い帯域を有する励起パルスを得るという目的と多少矛盾しており、いくらか妥協をする必要がある。この種のシステムのインパルス応答を測定した時点で、チューブの断面を復元するための様々なアルゴリズムが用いられ、これは「ボア復元」と称される。最も一般的なアルゴリズムは「層剥離法(layer peeling algorithm)」の改良であり、これは[非特許文献２]によって最初に提案された。その他の類似モデルは、上記Amir 1を含む。この復元の距離分解能は、励起パルスの帯域によって決定される。一方、断面計算の正確さは、デコンボリューション処理およびＳＮＲによって決定される。断面がその状態を維持している限り横モードは励起されず、他の推測的な情報なしで復元が可能であることを強調することが重要である。

「品質保証」 この種の適用では、我々は、正確に測定されたプロトタイプと、検査される目的物の間の適合性を判断しようとしている。この検査される目的物として、製造ラインを実現する部品、または日常保守により点検する航空機のチューブ類となる部品などが挙げられる。このような場合、音響測定はプロトタイプで実施され、その内部形態は特に制限が設けられない。その後、プロトタイプの音響学的特性を、欠陥（漏れ口、内部変形、閉塞通路）を検出するために製造部品から得られた測定結果と比較する。これは、様々な種類のチューブ類、多岐管、カスト部品の冷却通路などに適用できる。最も単純な場合は、プロトタイプの測定結果から少しでも逸脱して規定の制限値を越えると、欠陥の合図が出される。より一般的な場合は、測定結果は自動アルゴリズムによって解釈され、欠陥の正確な性質および位置を決定することができる。

上記述べた問題のいくつかを解決しようとする様々なＡＰＲシステムおよび方法が知られ、記載されている。例えば、特許文献１乃至６が挙げられる。

特許文献１は、ＡＰＲをパイプの継手の検出に適用している。チューブの一端には、送信（ＴＸ）部、受信（ＲＸ）部の両方を備える。チューブの継手は反射を生成し、その反射は他端からの反射よりも早く受信する。反射信号のピークは継手であると解釈される。このように、この特許は励起信号の反射のデコンボリューションについては述べていない。これは、おそらく広範囲に渡って不正確さをもたらすであろう。

特許文献６は、ＡＰＲをパイプの継手およびエルボの検知に適用しており、これは反射にかかった時間および波形に基づくものである。ＴＸはパイプの一端に配され、ＲＸはＴＸからさほど離れていない隣のパイプに配される。継手は十分に離れた場所に配されるから、これらの反射が重ね合わさらない。ＴＸパルス波形のキャリブレーションやラウドスピーカーインパルス応答がなく、デコンボリューションがなく、漏れ口の検知も記載されていない。

特許文献３および４は、ＡＰＲを、家庭用ガスシステムの供給管におけるガス漏洩の検出に適用している。ＴＸおよびＲＸは、ガスメータのガス流入口で互いに近くに配される。この方法は、完全なパイプシステムにおける「通常の」（額面のまたはキャリブレーションの）応答と、検査されているシステムの測定結果とを比較する。特許文献５は、ＴＸおよびＲＸがパイプの同じ一端に配されるＡＰＲシステムを開示している。この特許の目的は、（特定されていない）種類の継手または「故障」を検出することであると記述されている。この方法は、周波数スイープまたは疑似雑音測定のどちらかを用いる。この反射の周波数特性を、システムが検知しようとしている継手の先行測定のライブラリーと比較する。ラウドスピーカーインパルスのキャリブレーションはなく、デコンボリューションの記載もされていない。このシステムは、以前に測定されてメモリに保存されている対象に関してのみ検出が可能である。

ＡＰＲシステムの共通した問題は、特にこのような測定が理想的な実験室条件とは反対である現場で実施される場合、背景雑音が存在することである。この問題は、本テーマにおける大部分の学術発表で議論されている。信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するためのいくつかの方法が文献に提案されている。１つの方法は、何十、何百もの測定を連続して実施し、その結果を平均するものである［Amirl］。この方法ではインコヒーレント背景雑音は、著しく減少する。しかしながら、この方法は測定の一連の行為を長引かせ、ある配置においては、これが許容できない範囲となる。他の方法は、疑似雑音信号[非特許文献３参照]、または周波数スイープの使用を含む。インパルス応答は、これら疑似雑音信号および周波数スイープから数学的に抽出される。どちらの方法もより短い測定時間を必要とする。したがって、どちらの方法も提示されたシステムで実装される。このことにより、ＡＰＲシステムは必ずしも本物のパルスを使用する必要はなく、疑似雑音または周波数スイープを使用してもよいことが理解できる。以下、「ＡＰＲ」は、全ての種類のパルスを含むとする。

現在、ＡＰＲの実装における重大な問題は、長いチューブ（図１のＬ１とＬ２）が測定マイクロホンの両側に存在することである。これにより、該チューブがコイル状であったとしても、計器が極めて大きくなる。また、チューブは大幅な減衰をもたらし、これにより計器の精度と範囲が制限される。これらのチューブは、マイクロホンで励起パルスおよび反射の重なり合いを防ぐための最も単純な方法である。これは、時間の遅れを生じさせることにより重なり合いを防いでいる。一方、これらのチューブを伝わる伝播は高周波の減衰を引き起こす。これにより、目的物に作用するパルスの帯域幅を低減し、装置の有効範囲を狭める。マイクロホンの片側のみにおいてチューブ類の長さを短くする方法が最近発表されている[非特許文献４参照]。

マイクロホンの両側に短いチューブを用いるＡＰＲにおいて重複パルスを分離することは、以前から試みがなされているが、成功していない［Amirl］。この方法は、下記を必要とする。
下記２つの値の先行測定
a.ラウドスピーカーによって発された励起パルスP₁
b.パルスH_iに作用する励起スピーカーの音響インパルス応答
２．アルゴリズムを適用して、重なり合う測定結果から目的物のインパルス応答を分離する。これは、下式（数１）の適用に基づく。

H_S・・・目的物のインパルス応答である（周波数（freq）領域に変化したもの）。これは、求められる値である。
Z_i・・・全システムのインパルス応答であり、反射の重なり合いを含む。数学的にはZ_i＝P_M/P₁であり、P_Mはシステムの生の測定結果であり、P₁は測定した励起パルスである。これは測定値である。
H_i・・・ラウドスピーカーのインパルス応答であり、キャリブレーション工程で得られたものである（周波数（freq）領域に変化したもの）。これはキャリブレーション測定を経て得られる値である。
この方法で得られる結果は、上式に適用する際にその数値に影響を受けやすいため、Z_iおよびH_iを正確に抽出することに失敗した場合は、不確かな結果となる。

欠陥を検知するには、正式な測定データが得られた時点でそのデータを正確に解釈し、欠陥が存在する場合はその種類および位置を検知することが重要である。学術文献または特許に記載の既出の方法は、幾つかの技術に基づいている。その１つ目はピーク検知である。パイプの末端に伴う反射よりも前に受信する強い反射は、不連続部を示す。しかしながら、該反射は、その特性についてはほとんど何も情報を与えない。断面の変化など有効な不連続部を有する複雑なシステムにおいては、欠陥のみに関連するピークを検知することは困難であり、信頼できるものではない。わずかに発達した方法は、欠陥の先行測定との比較に基づくものである。この方法もまた単純なものである。理由は、異なるサイズの漏れ口は異なる音響パターンを有するからである。そして、そのようなパターンを多数蓄積しておくことは実現可能ではないと考えられる。さらに、音波伝搬の特性は温度および湿度によって変化するから、ライブラリーの測定結果は、様々な条件下の現場計測にはあまり適切ではないと考えられる。

より一般的な欠陥の検知方法は、一般的なボア復元法を適用することである[例えば、非特許文献５(以下「Chilekawa」という)、非特許文献６を参照]。この方法は、障害物および妨害物の検知に最も適している。この理由はこの方法が漏れ口の場合では正常に動かないからである。またこの方法は、低周波騒音がある場合には低周波騒音にも感度がよい。ボア復元法は、漏れ口がある場合は該方法が正常に動かないことを利用して、漏れ口の検知に適用している（Chilekawa）。後者の文献に記載されているように、この方法は、めったに実現可能とならないが、別々の測定結果がチューブの両側から得られる場合は最も有用性がある。その他にも、ボア復元アルゴリズムを適用すると、徐々にフレア（flare）が大きくなるという虚偽表示が与えられる。この表示は、既知の知識が実際にはこのようなフレアが存在しないと示す場合には、漏れ口として解釈されうる。このような誤ったフレアの自動検出は、特にチューブ内でフレアが他の不連続部に近接して配されている場合には、単純なものではない[Chilekawa]。

特開平７−５５９４９号 特開平７−７１７００号 特開平７−１９８５２７号 特開平７−１９８５２８号 特開平１１−１２５６２３号 特開２００３−２０７３２９号 N. Amir, G. Rosenhouse, U. Shimony, Acustica, Vol. 81, pages 450-462 and 463-474, 1995 Ware and Aki in J. Acoust. Soc. Am., Vol. 45, pages 911- 921, 1969 Forbes et al. Acta Acustica Vol. 89, pages 743-753, 2003 A. Li5 D.B. Sharp and BJ. Forbes, Proc. of the International Symposium on Musical Acoustics, Perugia, Italy, 8-14 Sept 2001; pp.391-394 V. Chilekawa, D.B. Sharp, TJ. W. Hill, Proc. of the Stockholm Music Acoustics Conference, Stockholm, Sweden, August 6-9, 2003 D.B. Sharp and D. M. Campbell, Acustica 83, 560-566, 1997

要約すると、APRに基づく有効な装置は、以下の特徴を有する必要がある。
１．測定時間が短いこと
２．ノイズに対する高いロバスト性をもつこと
３．かさが低いこと
４．容易で正確なキャリブレーション方法であること
５．ロバストであるとともに正確な欠陥検出であり、各種の欠陥についてその先行測定を必要としないこと
上記全ての特徴を満たすAPR方法およびシステムは、先行技術には存在しない。したがって、上記のような問題に満足のいく答えを提供するAPR技術が望まれている。

本発明は、背景技術に記載したような信号が重なり合うという長期にわたる問題に対して、的確な解決策を提供する。今までの解決策は、信号処理技術と数値感度を低減する分離アルゴリズムとの組み合わせによって改善されたものである。本発明の解決策は、システムおよび方法の両方が一体化されており、混合波チューブおよび独自のキャリブレーションを備えるAPRシステムを用いることである。

本発明は目的物の非破壊検査方法を提供する。この方法は、広帯域のトランスミッタ、圧力センサおよび長さ２Lを有する混合チューブを有する音響パルス反射測定（APR）システムを準備する段階と、キャリブレーションを行って２つのキャリブレーションパラメータ、正確な音響励起パルスの形P₁およびラウドスピーカー音響インパルス応答H_iを得る段階と、目的物を前記APRシステムに取り付け、測定を実施して目的物検査結果P^O _Mを得る段階と、P_1、H_i、P^O _Mを用いて目的物インパルス応答H_Sを得る段階を備える。これにより目的物インパルス応答が、目的物の状態を反映する。

前記方法のある実施形態では、P₁を得る段階が、測定を実施することを含む。この測定は、目的物として半無限チューブを用いてP₁を測定する測定、およびいくつかの欠陥を有する目的物の測定において、該欠陥が混合波チューブと目的物の接続部から十分に離れていることによってP₁を抽出できる測定からなる群から選択される。

本発明は、加圧試験目的物の非破壊検査のためのAPRシステムを提供する。該システムは、音響パルス源を提供するための広帯域の信号トランスミッタと、前記トランスミッタと目的物の間において配される前記パルス源のための導管として用いられる混合波チューブと、前記混合波チューブの２つの両端の間で等距離に配されるとともに前記検査目的物およびキャリブレーション目的物からのインパルス応答を感知するために用いられる圧力センサと、前記混合波チューブ、前記キャリブレーション目的物および前記検査目的物を加圧する手段とを含む。これにより、加圧目的物の非破壊検査を可能とする。

本発明は、液体充填検査目的物の非破壊検査のためのAPRシステムを提供する。該システムは、音響パルス源を準備するための広帯域の信号トランスミッタと、前記トランスミッタと目的物の間において配される前記パルス源のための導管として用いられる混合波チューブと、前記混合チューブの２つの両端の間で等距離に配されるとともに前記検査目的物およびキャリブレーション目的物からのインパルス応答を感知するために用いられる圧力センサと、前記混合波チューブ、前記キャリブレーション目的物および検査目的物への液体の導入、および前記混合波チューブ、前記キャリブレーション目的物および検査目的物からの液体の除去の手段を含む。これにより、液体充填目的物の非破壊検査を可能とする。

本発明は、APRシステムをキャリブレーションするための方法を提供する。該方法は、非破壊的に目的物を測定するために用いられる。その方法は、ラウドスピーカーから発される音響励起パルスの形P₁を測定する段階と、測定されたP₁を用いてラウドスピーカー音響インパルス応答H_iを決定する段階を含む。これにより、P₁およびH_iの両方が、測定された目的物の状態を非破壊的に決定するためにさらに用いられる。

本発明のAPRシステムをキャリブレーションするための方法のある実施形態では、P₁を測定する段階が、測定を実施することを含む。この測定は、前記目的物として半無限チューブを用いてP₁を測定する測定、およびいくつかの欠陥を有する目的物の測定において、該欠陥が前記混合波チューブから十分に離れていることによってP₁を抽出できる測定からなる群から選択される。

本発明のAPRシステムをキャリブレーションするための方法のある実施形態では、測定されたP₁を用いてH_iを得る段階が、前記半無限チューブを剛体プラグに取り替える工程と、前記剛体プラグを用いて測定を実施してP^P _Mの値を得る工程と、前記測定されたP₁を用いる理論計算によって、P^P _Mから直接的にH_iを抽出する工程を含む。

本発明のAPRシステムをキャリブレーションするための方法のある実施形態では、測定されたP₁を用いてH_iを得る段階が、前記半無限チューブを剛体プラグに取り替える工程と、前記剛体プラグを用いて第１の測定P^P _Mを実施する工程と、前記プラグを、長さLを有するとともに閉塞した末端部を有する第２の目的物と取り替え、第２の測定を実施して追加の測定値P^P2 _Mを得て、P^P _M、P^P2 _M、P₁を用いてH_iを計算する工程を含む。

ここに記載の本発明は、一例として図面を参照する。

本発明は、チューブ状目的物の非破壊検査に用いられるAPRシステムに関する。この目的物は、気圧下または高気圧下におかれた目的物、または非加圧／加圧の液体充填目的物である。本明細書において、「チューブ状システム」および「チューブ状目的物」（もしくは単純に「目的物」）は、同じ意味を持つものとして用いることができる。チューブ状システムの例として、航空機、船または車の燃料パイプおよび水圧管パイプ、排気管および楽器などの空気またはガスが満ちたチューブ状のシステム、熱交換器などの冷却システム、発電所における冷却システムまたはコンデンサ、ならびにケーシングおよびブロックにおいて穴を開けたまたは鋳造した冷却通路が挙げられる。

上述したように（Amirl）、APRシステムで用いられる短いチューブは、目的物およびラウドスピーカーからの連続した反射が、マイクロホンにおいて重なり合うという状況を作り出す。上記のように、これは、測定結果を解釈するにあたり大きな難題を引き起こす。本発明における発明の重要な技術は、短いチューブ（ここで「混合波チューブ」と定義する）の使用と、従来技術より優れた測定結果をもたらす方法測定論との組み合わせを含む。発明のその他の重要な技術は、測定されるパイプシステムの欠陥を発見するための測定結果の解釈方法にある。いくつかの代替方法が信号の分析に適用されており、該信号は、検査するシステムにかかる先行情報によって決定される。

図２は、本発明によるAPRシステム（２００）の好適な実施形態を概略的に示した図である。APRシステム（２００）は、データ収集カード（ＤＡＱ）を有するコンピュータ（２０２）、任意のデータ調節器部品（図示せず）を有する前置増幅器（２０４）、任意のデータ調節器部品（図示せず）を有する増幅器（２０６）、圧力センサ（当技術分野では「マイクロホン」または「受信器」とも称される）（２０８）、および広帯域の信号トランスミッタ（２１０）（当技術分野では「トランスデューサー」または「ラウドスピーカー」とも称される）および混合波チューブ（２１２）を含む。ここで用いられる用語「混合波チューブ」は、チューブ内で信号が左右方向に伝播し、その信号がセンサ（２０８）で重なり合うチューブである。従来のAPR方法でうまく実施された方法の全てにおいて、十分な長さのチューブが用いられてきた。これにより、左右に伝播する信号がセンサ部で重なり合わなかった。ここで留意すべきは、チューブが推測的に「混合」であると決定できる絶対的な長さはないことである。この理由は、この長さがシステムで生じた信号の時間範囲に依存するからである。したがって、あるシステムでは、たとえチューブが５メートルの長さであっても信号が重なり合うかもしれない。一方、その他のシステムでは、ずっと短いチューブであっても信号が重なり合う可能性がある。本発明のAPRシステムにおいて、システムを持ち運び可能にしておくためには、混合波チューブは概して４０ｃｍの長さである。しかしながら、この特定の長さは限定として示すものではなく、他の長さも同様に本明細書で示す目的に適している。

上記混合チューブは、検査される「目的物」（２１４）に取り付けられる。ここで、部品（２０２）〜（２０６）は、通常、図１には示していないが、図１を含むいかなるAPRシステムにも存在する。コンピュータ（２０２）は励起信号を生成し、該信号はデータ収集カードを経て増幅器（２０６）に出力される。増幅器（２０６）は該信号をトランスミッタ（２１０）へ渡す。センサ（２０８）は、チューブ内を伝播する音波を測定し、その電気信号が部品（２０４）に渡され初期増幅される。その後、増幅された電気信号は、データ取得カードによってサンプリングをした後、コンピュータ（２０２）に記憶される。

独創的に、および従来技術と対照的に、システム（２００）は、チューブを備えることができる。該チューブは、周囲環境圧力下もしくは高気圧下の液体（水、油圧オイル、燃料など）で満たされている、または高圧下の空気もしくはその他のガスで満たされている。加圧目的で、トランスミッタ（２１０）は、高圧のケーシングに含まれてもよい（図９aを参照）。本明細書で述べる一般的な方法論は、空気、ガスおよび液体が充填したいずれの目的物においても適用可能で、また加圧状態または非加圧状態の目的物においても適用可能である。

図３は、図２で示すAPRの使用方法における主要なステップのフローチャートを示す図である。２つのパラメーター（下記に詳細を示す）を決定するためのキャリブレーションを、ステップ（３０２）で実施する。キャリブレーション測定のダイナミックレンジを確立するための検査を、ステップ（３０４）で実施する。オーバーフローまたはアンダーフローが存在する場合には、（下記に示す如く）手動でゲイン調整し、ステップ（３０２）が繰り返される。オーバーフローまたはアンダーフローが存在しない場合には、過程はステップ（３０６）へ続く。ステップ（３０６）では、反射源の特性（キャリブレーションの測定結果から計算され、その後分離アルゴリズムに用いられる）が決定される。ステップ（３０８）では検査目的物を測定し、時間的整合を得るためのキャリブレーション測定結果の調整を実施する。ステップ（３１０）では、パルス源を用いて検査測定値をデコンボリューションする。該パルス源は、トランスミッタにより送信されたパルスであり、キャリブレーション段階で得られたものである。これは、理論上の帯域制限インパルス応答を与える。この段階では、前後方向への伝播信号の重なり合いがまだ存在している。ステップ（３１２）では、前後方の伝播信号の測定結果のもつれを解くために分離アルゴリズムを適用し、これによりシステムの真のインパルス応答を得る。ステップ（３１４）では、逆散乱の手順をインパルス応答に適用し、システムの概略と比較して目的の欠陥を得る。最後に、ステップ（３１６）では、調査結果がグラフィック・ユーザー・インターフェース（GUI）で見本となるように生成される。上記方法のそれぞれのステップの詳細を下記提供する。

（キャリブレーション：ステップ３０２、３０４および３０６）
キャリブレーションは、３つの主な目的を有する。これは、a）トランスミッタ（２１０）から放出される音響励起パルスP_１の正確な形状を測定すること、b)ラウドスピーカー（源）のインパルス応答H_iの正確な形状を検出すること、およびc)どのステップにおいても過度のサチュレーションをもたらすことなく、ハードウェアとソフトウェアが正確に調整されて全ての使用可能なダイナミックレンジを利用できることを立証することである。したがって、キャリブレーションは以下を含む。
（ａ）P_１を見出すこと
第１の測定は、P_１を検出するために実施する。これは、励起パルスが消滅するまで、目的物またはその末端部から受信する反射がない状態での測定が必要である。これは、下記いくつかの方法によってなされる。
（ｉ）APRシステム（２００）に「目的物」として取り付けた半無限チューブ（実用的には、本発明のシステムでは、少なくとも１．８メートルの長さである）を用いる。すなわち、一般的な測定の一部である図２では、半無限チューブは「目的物」（２１４）として示される。この半無限チューブの長さは、センサ（２０８）でチューブの末端からの反射を受信する前に励起パルスが消滅するような長さである（チューブの末端は開いていても塞がっていてもよく、この開閉は実質的な影響を及ぼさない）。このチューブをコイル状にすることにより、より持ち運びを容易にすることができる。チューブ（２１４）を取り付けているときには、このチューブと混合波チューブの間の結合部（継手）において反射は生成されない。したがって、励起パルスの全長において、左右への伝播波がセンサ（２０８）で重なり合うことはない。
（ｉｉ）場合によっては、対象物が欠陥を有していない。したがって、P_１が消滅するまで反射がマイクロホンで受信されない。この場合、後述するステップ（３０８）において、P_１は目的物そのものの測定結果から抽出される。

（ｂ）H_iを見出すこと
この工程は、２つの異なる手順を用いて実行される。
（ｉ）ＡＰＲシステム（２００）に取付けられた剛体プラグを目的物として用いて測定を実行し、P^p _Mと称される信号を与える。この信号の上付き文字「p」は、目的物が剛体プラグであることを意味する。H_iは、論理式（下記を参照のこと）によって、P^p _Mから直接的に抽出される。
（ｉｉ）（ｉ）の場合と同様にP^p _Mを測定し、H_sの理論計算の代わりに追加の測定を実行する。
これら２つの互いに異なる実施形態は、ここで詳細に説明される。

（ｉ）プラグは、完全な剛体末端として存在し、マイクロフォン（２０８）からプラグへ向かうチューブの右半分の長さ（記号「Ｌ」で表す）のインパルス応答H_sが論理的にモデル化される[Amir et al.,「Losses in tubular acoustic systems」, Acustica 82 pp. 1-8 (1996)]。したがって、上記の数式（１）は、H_iが未知数である場合に適用され、H_sは、理論計算から導き出される[Amir et al.,「Losses in tubular acoustic systems」, Acustica 82 pp. 1-8 (1996)]。したがって、Z_i=P^p _M /P₁となる。H_sに対する理論計算は、精度の面で今も尚問題点を有する。必要に応じて、H_sを計算する際の精度を向上させるために、以下の手順を実行してもよい。H_sの理論計算における誤差は、算出されたH_iの偽のピークを生じさせる。H_iに対する合理的な近似式を用いて、近似式のパラメータが、最小二乗平均誤差（MSE:Mean Square Error）基準を用いて最適化され、これら偽のピークを最小限化させる。
（ｉｉ）H_s全体の理論計算を避けるために、センサ（２０８）と混合チューブ（２１２）の端部の間の距離と全く同一の長さＬを有する目的物に対して追加的な測定を実行する。この測定値をP^p _M ²とする。この目的物が取り付けられ、閉塞されると、センサ（２０８）からプラグ（閉塞された目的物端部）までの距離は２Ｌとなり、インパルス応答H_s ²を得ることができる。
ここで、数式１を２回用いる。まず、Z_i=P^p _M /P₁を用いて、H_sを得る。２回目に、Z_i=P^p _M ² /P₁を用いて、H_s ²を得る。これにより２つの未知数H_s及びH_iを有する２つの数式を得ることができる。

ここで、H_sは明確には必要とされておらず、H_iに関する解を得るのみで十分である。

（ｃ）両ステップ（ｉ）及び（ｉｉ）を実行すると、発信された／受信された信号の振幅は、個別のゲイン調整によって、いくつかの異なる点で制御され、コンピュータ内、トランスミッタを駆動する増幅器、前置増幅器及びＤＡＱ内で合成されるデジタル信号となる。これらのうちいずれかが不正確な調整となると、２つの問題（ダイナミックレンジを利用している間において、記録される信号の有効ビット数が低減すること或いはクリッピングの形態における大きな非線形歪みを作り出すサチュレーション状態となること）のうち一方を生じさせることとなる。
ダイナミックレンジの正しい利用法は、２つの新規な手段により確認される。

（ｉ）ＤＡＱから送られた生の記録された信号内のサンプル値の電圧レベルは、ヒストグラム化される。サチュレーションのない信号は、図４に示すように、略異常がなく、明瞭に対称的な分布を与えるものとなる。ＤＡＱのサチュレーションは、図５に示すように、−１から１までの範囲の異常に大きな値を有するヒストグラムをもたらすこととなる。このことは、ＤＡＱの入力ゲインを再調整する必要があることを意味する。
増幅器と前置増幅器のうち一方におけるサチュレーションは、図６に示すように、１未満、−１を超えるの範囲のヒストグラムにおいて、異常に高い値をもたらす。このことは、使用者が、手動でゲインを再設定する必要があり、測定を繰り返してサチュレーションが除去されたことを確認する必要があることを意味する。
（ｉｉ）生の信号に用いられる有効ビット数は、生の信号の断続的な電圧値の数により示され、本明細書において、断続的な電圧値の数は、符号Ｎで表される。Ｎに係る基数２の対数が、有効ビット数である。上記のステップに係る説明で概説されたように、サチュレーションが除去されると、log₂(N)が計算される。結果は、略１５であり、それ以上である場合、サチュレーションは、不適切に収束し、それ以下である場合、ダイナミックレンジが十分に活用されていないことを意味する。前述のステップで説明したように、この状態となるまで、ゲインが調整され、測定が繰り返し実行される。

上述の（ａ）及び（ｂ）の項で説明した視覚的表示が、キャリブレーション工程の間、使用者に提示され、これにより、全てのゲインが正確に調整されたことを保証することができる。
上述したキャリブレーション手順をＡＰＲシステムに適用することは独創的なことであることを、本明細書において強調する。したがって、P₁を測定し、このP₁を用いて、H_iの形態を決定し、このこと自身が、ＡＰＲシステムに対する新規なキャリブレーション方法となる。

（目的物の測定：ステップ３０８）
キャリブレーション工程の後、試験対象の目的物（２１４）が、チューブ（２１２）（プラグを取り外して）に取り付けられ、測定値が得られる。この測定値は、記号P^o _Mで表される信号としてもたらされる。ここで上付き文字「o」は、「目的物：object」を意味するものである。

（測定値の解析及び測定値に対する考察：ステップ３１０−３１６）
３つの代替的な方法が、本明細書において提案される。この方法により、測定値P^o _Mが解析される。この解析は、試験対象のシステム及び試験対象の目的物の既知の事実に応じて定められる。

（ｄ．幾何学形状が未知の場合）
短いチューブを用いて測定がなされる。これにより、音響波を重ね合せることができる。キャリブレーション測定からの情報を用いて、目的物のインパルス応答は、数学的に、重複測定から分離可能であり、これには、数式（１）の独特の変形式が用いられる。

この数式において、数式（１）中のZ_iが、P^o _M/ P₁によって置き換えられている。P₁は、励起パルスであり、プラグされていること（plugged）を意味する上付き文字「p」は、目的物（object）を意味する上付き文字「o」に置き換えられている。この数式は、数式１と同等のものであるが、実際の使用場面においては、高いロバスト性を有する。なぜなら周波数ドメインの分割数が少なく、この結果、数値誤差の蓄積が生じにくいものとなるからである。数値誤差の蓄積は、この技術分野においては、致命的なものである。このことは、文献にて説明された従来の試みから得られた測定値よりも一層精度の高い測定値となることを保証するものである。この測定値は、その後、文献（Amir1）内で説明されるボア復元アルゴリズムに入力され、目的物の内部の幾何学的形状を見出し、漏れ口や障害物の検知がなされることとなる。

（ｅ．幾何学形状が既知の場合）
様々な種類のチューブ、接続部、接合部などで構成される任意の既知の形状を有する目的物に対する欠陥の有無を試験する場合、模擬的な目的物の応答H_sが論理的に計算される（Amir1）。この算出された応答は、その後、数式（３）から得られた測定された応答と比較される。欠陥は、これら２つの間の差異として現われ、主として、インパルス応答における鋭いピークの形態の差異として現れる（負のピークは、漏れを示し、正のピークは詰りを表す）。これらピークを正確に見極めることに際して主要な障害となるのは、ノイズの存在である。これらピークを正確に見極める工程を容易にするために、漏れが主として接続部において生ずるという事実を利用する。形状が既知である場合、全ての接続部の配置は、前以って知られている。インパルス応答の時間軸とチューブに沿う位置との間の１対１の対応があるので、インパルス応答の適切な時間においてのみ、負のピークに関する調査を行なう。尚、負のピークは漏れを指し示すものである。

（ｆ．コネクタが存在しない場合の漏れ）
熱交換器などの特定の場合において、漏れは、特徴的に任意の場所で生ずる。漏れは、反射を引き起こす。反射の数学的関数は、文献（Chilekawa）において既に説明がなされている。漏れからの反射に対する数学的モデルは、整合フィルタを作り出すために用いられる（J.Y.Stein, 「Digital Signal Processing a Computer Science Perspective」, John Wiley and Sons, 2000）。漏れからの反射は、漏れ源からの距離にしたがって、減衰する。したがって、適合可能な整合フィルタが用いられると、次から次へと生ずる反射による振動によって、インパルス応答は減衰する。整合フィルタの出力は、チューブの漏れ位置において鋭い正のピークを有する関数となる。

（圧力システム）
圧力システムは、ガスが充填された周囲環境圧力システムに対する操作と同様の操作であるが、圧力ガスが充填されたパイプシステムにおける欠陥を見つけるために用いられる。このことは、いくつかの漏れ（例えば、Ｏリングやガスケットでの）が圧力下においてのみ現れるという事実に基づく。この応用例において、トランスデューサは、圧力下で作動するように、特別な設計を施されているが、容易に入手可能な部品である。（プラグ（キャリブレーションにおいて用いられる。下記説明を参照のこと）及びコネクタは、目的物を取付けるために用いられ、これらは、システムに圧力を加えるための手段を必要とする。

図２に示すものと同一の部品を圧力システムに用いられることができる。図７には、追加的な「圧力組立部」（７００）の部品が示されている。圧力システム、圧力システムに用いられる部品、これら部品を組み立てる方法は、従来技術において周知のものである。本明細書の下記段落で説明される部品は、「圧力」或いは「液体充填」の技術的特徴を本発明に係るＡＰＲシステムにもたらすものであるが、これは単に例示的なものに過ぎない。圧力負荷及び液体充填を実行するための他の方法も同一の目的を達成するために利用可能である。これらは、液体で、混合波チューブを満たすための圧力を負荷する手段、キャリブレーションを行なう手段並びに検査目的物としての意味もなす。

システム（７００）の部品は、一般的には、供給用並びに圧力負荷用のサブシステム（７０２）、シャットオフバルブ（７０４）及びプラグ（７０６）或いはＴ字コネクタチューブ（７０８）を備える。供給用並びに圧力負荷用のサブシステム（７０２）は、ガスで音響ゲージのチューブを充填する能力を備える。これにより、測定対象のシステムが必要とされる作動（静的）圧力を含むこととなる。供給用並びに圧力負荷用のサブシステム（７０２）は、ガスリザーバ（７１０）を備える。ガスリザーバ（７１０）はポンプ（７１２）に接続する。ポンプ（７１２）は更に、チューブ（７１４）を介して、コック（７１６）、圧力ゲージ（７１８）及び第１のコネクタ（７２０）に接続する。シャットオフバルブ（７０４）は、通常、閉状態のバルブである。このバルブは、圧力勾配に起因して開状態となる。この圧力勾配は、供給並びに圧力負荷工程の間、システム内に発生するものである。シャットオフバルブ（７０４）は、第２のコネクタ（７２２）、コイルバネ（７２４）及び弁体（７２６）を備える。プラグ（７０６）は、音響測定ゲージを密閉し、キャリブレーション工程が実行される。プラグ（７０６）は、螺子切加工された穴部（７３０）を備え、シャットオフバルブ（７０４）がそこに取り付けられる。Ｔ字コネクタチューブ（７０８）は、目的物用ポート、ゲージポート及びシャットオフバルブ（７０４）に接続するための開口部を備える。

図８は、圧力組立部用の部品を示す。この部品は、チューブ（２１２）に取付けられた「目的物」として、キャリブレーション手順を実行することを目的に組み立てられたものである。サブシステム（７０２）とサブシステム（７０４）は、ここでは、コネクタ（７２０）とコネクタ（７２２）を介して接続されている。シャットオフバルブ（７０４）は、恒久的にプラグ（７０６）に接続されている。キャリブレーション手順は、以下のステップを含む。所望のガスをリザーバに充填するステップ、ゲージチューブを供給し、ガスに圧力を負荷し、必要とされる圧力水準まで上げるステップ、コックを閉めるステップ（この結果、シャットオフバルブが閉状態となる（なぜなら、ポンプとチューブ（２１２）内部との間の圧力勾配がなくなるためである））、圧力負荷されていない状態のシステムに対して、上記したキャリブレーション用測定を実行するステップ。使用されるトランスミッタ（７３２）は図９に示される。このトランスミッタ（７３２）は、高圧下で作動する。ある実施形態が、図９ａに示される。この実施形態において、トランスミッタ（７３２）は、容易に入手可能なラウドスピーカ（７３６）を備える。このラウドスピーカ（７３６）は、圧力負荷されたケーシング（７４０）内に収容されている。ケーシング（７４０）により取り囲まれた体積空間は、ラウドスピーカ（７３６）を含めて、システム圧力P₁に設定される。ケーシングは、システム圧力が膜体（７３４）の両側に存在することを保証する。他の実施形態において、図９ｂにトランスミッタが示されている。トランスミッタは、容易に入手可能な圧電トランスミッタ（７５０）とすることができる。この圧電トランスミッタ（７５０）は、密閉状態で供給されるので、追加のケーシングを必要としない。

圧力が負荷されるとともに、ガスが充填された目的物に対する使用において、プラグは、Ｔ字コネクタチューブ（７０８）に置き換えられる（図１０参照）。図１０は、測定対象の圧力システム（目的物）（７６０）を示す。圧力システム（目的物）（７６０）は、Ｔ字コネクタチューブ（７０８）を介して、組立部（７００）の残りの部分に取付けられる。圧力負荷並びに測定工程は、上記のキャリブレーションに関して説明したものと同様の手順にしたがう。

（液体充填システム）
液体充填システムは、ガス充填システムと同様の作動をする。液体充填システムは、液体が充填されたパイプシステム内の欠陥を発見することを目的に用いられ、圧力負荷下或いは周囲環境圧力下いずれにおいても適用可能である。液体充填システムは、周囲環境圧力ガス充填システム以上にいくつかの改良点を必要とする。トランスデューサは、液中で作動可能となるように特別に設計されたものである必要がある。尚、このようなトランスデューサは、容易に入手可能である。プラグ（キャリブレーションの中で用いられる）及び目的物の取り付けに用いられるコネクタは、液体でシステムを満たすとともにチューブ内に捕捉された空気を押し出す手段を必要とする。図１１は、キャリブレーションに用いられる液体で満たされたテストシステムを示す。図１２は、目的物の測定に用いられる同一のシステムを示す。

液体充填システムは、図２に示すものと同一の部品と追加的な「圧力組立部」の部品を利用する。この圧力組立部の一例として、図１１及び図１２に組立部（１１００）を示す。組立部（１１００）の部品は、必然的に、組立部（７００）の部品と似たようなものとなるが、部品が、圧力負荷されたガスではなく、圧力負荷された液体或いは圧力負荷されていない状態の液体を取扱うのに適している点で異なる。例示的に、プラグ（１１０６）（プラグ（７０６）に類似のもの）は、空気排出スクリュ（１１０７）を備える。この空気排出スクリュ（１１０７）は、液体充填をしたとき、プラグから空気を排出させるために用いられる。Ｔ字コネクタチューブ（１１０８）（チューブ（７０８）と類似の部品である）は、空気排出スクリュ（１１０９）を備える。この空気排出スクリュ（１１０９）も、システムが液体で満たされたとき、空気を排出するために用いられる。キャリブレーションのための測定及び目的物のための測定が、上記したガス圧力システムに係るステップと必然的に同一のステップを用いて実行される。

本発明は、特定の実施形態に関連付けて説明されてきた。他の実施形態を用いて、当業者が実施可能であることは明らかである。本明細書において言及された全ての公報、特許並びに特許出願に係る内容は、全体として、本明細書に参照として組み込まれ、個々の公報、特許或いは特許出願が、特定的且つ個別にその内容を本明細書に参照として組み込まれているものと解釈すべきである。加えて、本出願において引用或いは指し示されたことを以って、これら参照文献が、本発明の従来技術として利用可能であったということを自認するものではない。

一般的なAPRシステムを示す図である。 本発明の音響パルス反射測定（ＡＰＲ）の好適な実施形態を概略的に示した図である。 図２で示すAPRの使用方法における主要なステップのフローチャートを示す図である。 非サチュレーション信号のサンプル値の分布を示す図である。 データ収集ボードに入力したサチュレーション信号のサンプル値の分布を示す図である。 アナログ要素におけるサチュレーション信号のサンプル値の分布を示す図である。 加圧APRシステムをキャリブレーションし、測定するための特有のサブアセンブリの好適な実施形態を概略的に示した図である。 プラグを用いてキャリブレーションする場合の、加圧APRシステムの好適な実施形態を概略的に示した図である。 加圧APRシステムのためのトランスミッタの好適な実施形態を示した図であり、（a）は加圧ケーシングを有する標準的なトランスミッタであり、（b）は密閉型の圧電トランスミッタである。 目的物を測定する際の加圧APRシステムの好適な実施形態を示した図である。 液体充填システムのためのプラグサブアセンブリとともにプラグを用いてキャリブレーションする際の、液体充填の加圧／非加圧APRシステムの好適な実施形態を概略的に示した図である。 液体充填目的物を取り付けるためのTコネクターサブアセンブリとともに目的物を測定する際の、液体充填の加圧／非加圧APRシステムの好適な実施形態を概略的に示した図である。

Claims (10)

1. 目的物の非破壊検査方法であって、該方法は、
   a.広帯域のトランスミッタ、圧力センサおよび長さ２Lを有する混合チューブを有する音響パルス反射測定（APR）システムを準備する段階と、
   b.キャリブレーションを行って、２つのキャリブレーションパラメータ、正確な音響励起パルスの形P₁およびスピーカー音響インパルス応答H_iを得る段階と、
   c.前記目的物を前記APRシステムに取り付け、測定を実施して目的物検査結果P^O _Mを得る段階と、
   d.P_1、H_i、P^O _Mを用いて目的物インパルス応答H_Sを得る段階を備え、これにより該目的物インパルス応答が、前記目的物の状態を反映することを特徴とする非破壊検査方法。
2. 前記P₁を得る段階が、測定を実施することを含み、
   前記測定が、前記目的物として半無限チューブを用いてP₁を測定する測定、およびいくつかの欠陥を有する目的物の測定において、該欠陥が混合波チューブと目的物の接続部から十分に離れていることによってP₁を抽出できる測定からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の非破壊検査方法。
3. 前記H_iを得る段階が、
   i.前記目的物を剛体プラグに取り替える工程と、
   ii.前記剛体プラグを用いて測定を実施して値P^P _Mを得る工程と、
   iii.前記測定されたP₁を用いる理論計算によって、P^P _Mから直接的にH_iを抽出する工程を含むことを特徴とする請求項２記載の非破壊検査方法。
4. 前記H_iを得る段階が、
   i.前記目的物を剛体プラグに取り替える工程と、
   ii.前記剛体プラグを用いて第１の測定P^P _Mを実施する工程と、
   iii.前記プラグを、長さLを有するとともに閉塞した末端部を有する第２の目的物と取り替え、第２の測定を実施して追加の測定値P^P2 _Mを得て、P^P _M、P^P2 _M、P₁を用いてH_iを計算する工程を含むことを特徴とする請求項２記載の非破壊検査方法。
5. 前記APRシステムが、さらにデータ収集カード（DAQ）、前置増幅器および増幅器を含み、
   前記目的物の測定を実施する段階より先行して、前記APRシステムのオーバーフロー／アンダーフローの状態を判断する検査を行い、オーバーフローまたはアンダーフローの状態を検知した場合においては、前記段階より先行して、前記DAQ、前記前置増幅器および前記増幅器のゲイン調整を行うことを特徴とする請求項１記載の非破壊検査方法。
6. 前記P₁、H_i、P^O _Mを用いて目的物インパルス応答H_Sを得る段階が、前後方向の伝播信号のもつれを解くために分離アルゴリズムを適用する工程を含み、これにより前記目的物の真のインパルス応答を得ることを特徴とする請求項１記載の非破壊検査方法。
7. 前記分離アルゴリズムを適用することが、下式方程式（数１）の使用を含むことを特徴とする請求項６記載の非破壊検査方法。
   

   
8. 前記目的物が、加圧目的物および液体充填目的物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の非破壊検査方法。
9. 前記理論計算によってP^P _Mから直接的にH_iを抽出する工程が、下式（数２）を使用してH_iを計算することを含むことを特徴とする請求項３記載の非破壊検査方法。
   

   
10. 前記P^P _M、P^P2 _M、P₁を用いてH_iを計算する工程が、下式（数３および数４）の使用を含むことを特徴とする請求項４記載の非破壊検査方法。
    

    

    

    ［式中、H² _Sが、前記第２の目的物の音響応答である。］

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