JP5166724B2 - 超音波検査システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、全般的には超音波検査システム及び方法に関し、またより具体的には、対象物の微細構造診断のための超音波検査システム及び方法に関する。

機械的障害様相の多くは、微細構造の損傷及び／または変化がある領域内に蓄積し、この後に観察可能なクラックや障害の発生が続く長期にわたる第１段階を含む。クラックが観察できるようになると、残された寿命はあとわずかしかない。

あるしきい値サイズを超えておりかつある特定の領域の内部にあるクラックは、既存の超音波またはうず電流技法によって検出されることがある。例えば従来の超音波検査では、超音波信号またはパルスが送信されて、エコー信号がトランスジューサによって受け取られる。クラックなどの不連続性は、そのエコーがバックグラウンドノイズのエコーと比べてより大きい場合に検出することができる。

典型的には、その部品の素材に関する微細構造によって、当該部品を使用できる様々な用途が決定される。計測される重要な特性の１つに粒子サイズ（ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ）があり、その部品の疲労及びクリープ（ｃｒｅｅｐ）要件を満たすようにこの値を確実に要求された範囲内とさせている。したがって、望ましくない素材特性を有する可能性が高い領域など指定された粒子サイズから外れるような領域を検出することが望ましい。しかし、こうした領域がその部品の内部に埋め込まれていると、この微細構造を検出することは難しい。さらに、様々な製品形状や様々な処理手順によって、多種多様な粒子形状が生成される可能性があり、これにより粒子サイズを計測する能力に制約が生じることがある。
米国特許出願公開第２００４／００７７９４７号

したがって、様々なサイズをもつ微細構造を非破壊的に検出し、これにより当該部品の内部のクラックが生じる可能性がある箇所の予測を支援する要求が存在する。

簡約化すると、本発明の一態様では、対象物の微細構造診断のための方法を提供する。本方法は、対象物の少なくとも１つのサブボリュームに超音波エネルギーを音波照射する工程と、基本波周波数及びその少なくとも１つの高調波周波数で対象物からの受信エネルギーを収集する工程と、を含む。本方法はさらに、該受信エネルギーを用いて非線形性パラメータを決定する工程と、（ａ）対象物のサブボリュームに関する粒子サイズと（ｂ）対象物のサブボリューム内での粒子サイズの変動のうちの少なくとも一方を決定するために該非線形性パラメータを使用する工程と、を含む。

別の実施形態では、対象物の微細構造診断のための超音波検査システムを提供する。本システムは、対象物の少なくとも１つのサブボリュームに超音波エネルギーを音波照射するように構成された超音波トランスジューサと、基本波周波数及びその少なくとも１つの高調波周波数で対象物からの受信エネルギーを収集するように構成された超音波受信器と、を含む。本システムはさらに、該受信エネルギーを用いて非線形性パラメータを決定するように構成されたプロセッサを含む。このプロセッサはさらに、（ａ）対象物のサブボリュームに関する粒子サイズと（ｂ）対象物内での粒子サイズの変動のうちの少なくとも一方を決定するために非線形性パラメータを使用するように構成されている。

別の実施形態では、不均質な対象物の劣化診断のための方法を提供する。本方法は、対象物の少なくとも１つのサブボリュームに超音波エネルギーを音波照射する工程を含む。本方法はさらに、基本波周波数及びその少なくとも１つの高調波周波数で対象物からの受信エネルギーを収集する工程と、該受信エネルギーを用いて非線形性パラメータを決定する工程と、を含む。本方法はさらに、（ａ）疲労損傷と（ｂ）残留応力のうちの少なくとも一方を決定するために非線形性パラメータを使用する工程を含む。

別の実施形態では、対象物の非破壊診断のための方法を提供する。本方法は、対象物の少なくとも１つのサブボリュームに超音波エネルギーを音波照射する工程と、基本波周波数及びその少なくとも１つの高調波周波数で対象物からの受信エネルギーを収集する工程と、を含む。本方法はさらに、該受信エネルギーを用いて非線形性パラメータを決定する工程と、該対象物を形成する素材の弾性状態と可塑性状態のうちの少なくとも一方を決定するために該非線形性パラメータを使用する工程と、を含む。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

本明細書で使用する場合、「ように適応させた（ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ）」、「構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」その他の表現は、システムの各構成要素を記載の効果を提供するように協働可能としたシステムのデバイスに言及したものであり、またこれらの用語はさらに、与えられた入力信号に応答して出力を提供するようにプログラムされたアナログ式やディジタル式のコンピュータ、特定用途向けデバイス（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））、増幅器、その他などの電気的または光学的構成要素の動作機能、並びに構成要素を互いに光学的または電気的に結合させている機械的デバイスに言及したものでもある。

本明細書で使用する場合、「対象物の弾性状態（ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔａｔｅ）」とは、対象物においてその原子が平衡状態から外れている状態にあることを意味する。対象物の内部に粒子が存在しておりかつ該対象物内で粒子サイズが様々であることが対象物の弾性状態の変化に寄与する。本明細書で使用する場合「対象物の可塑性状態（ｐｌａｓｔｉｃ ｓｔａｔｅ）」とは、対象物がその内部に永続的な損傷が生じた状態にあることを意味する。対象物の可塑性状態の変化に寄与する要因の例には疲労及び残留応力がある。

図１は、対象物の検査で使用される超音波検査システムの透過探傷（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）実施形態の一例のブロック図である。このシステムは、超音波トランスジューサ、超音波受信器、プロセッサ、及び任意選択で表示ユニットを備える。各ブロックについて以下でさらに詳細に説明することにする。

超音波トランスジューサ１２は、対象物１４の少なくとも１つのサブボリュームに超音波エネルギーを送信するように構成されている。この超音波エネルギーは、基本波周波数ｆ_０においてある所望の方向で対象物１４内に送信される。一実施形態では、その超音波エネルギーは純音（ｐｕｒｅ ｔｏｎｅ）信号でありかつ５ＭＨｚの基本波周波数ｆ_０で送信されている。この超音波エネルギーはさらに、チャープ（ｃｈｉｒｐ）信号とすること、スパイクパルス信号とすること、またこれらを組み合わせた信号とすることがある。サブボリューム内に様々なパルサー電圧レベルで反復して信号が送信される。トランスジューサ１２は、単一素子探触子、フェーズドアレイ、レーザー超音波及びｃＭＵＴデバイスを含む多くの形態を取り得る。一例では、トランスジューサ１２は、少なくとも−３ｄＢバンド幅がｆ_０でありかつ中心周波数が１．５ｆ_０であるブロードバンド・トランスジューサである。

超音波受信器１６は、少なくとも１つの高調波周波数ｎ＊ｆ_０（ｎは整数）及び任意選択で基本波周波数ｆ_０で対象物からエネルギーを収集するように構成されている。一実施形態では、その超音波受信器は、第２高調波周波数２ｆ_０でエネルギーを収集するように構成されている。図示した例の利用法の一例では、超音波受信器１６は、基本波周波数及びその少なくとも１つの高調波周波数で対象物１４から超音波エネルギーを受け取るように構成したトランスジューサ（単一の素子とアレイのいずれか）を備える。一例では、超音波受信器１６はブロードバンド・トランスジューサを備える。

プロセッサ１８は、超音波受信器からエネルギー・データを受け取り、このエネルギー・データを用いて非線形性パラメータを決定するように構成されている。さらに、プロセッサ１８はさらに、例えば図１に示したようにしてトランスジューサ１２を制御するように構成されることがある。非線形性パラメータを用いて、例えば対象物のサブボリュームに関する粒子サイズと対象物のサブボリューム内での粒子サイズの変動とが決定される。具体的なある実施形態では、大きな粒子が大きな非線形性パラメータを示しており、また小さい粒子が小さい非線形性パラメータを示している。さらに、非線形性パラメータを使用して、対象物の微細構造特性及び素材性状を決定することができる。この方式により、対象物内部にある指定された粒子サイズから外れた領域を検出することができる。障害の発端は、逸脱した粒子サイズをもつ領域内に生じる可能性がある。システム１０を使用すると、こうした領域が対象物の表面上にあるか対象物内部に位置するかによらず、この領域を検出することができるので有利である。

別の実施形態では、非線形性パラメータを使用して、対象物内にある疲労と残留応力の少なくとも一方が決定される。別の実施形態では、非線形性パラメータを使用して、対象物を形成する素材の弾性状態と可塑性状態の少なくとも一方が決定される。

一実施形態では、非線形性パラメータは、第２高調波の振幅と基本波周波数の振幅の平方との関数である。このプロセッサは、基本波周波数の振幅の平方に対する第２高調波の振幅の比をプロットするように構成されている。

図２は、システム１０の別の例示的実施形態を表している。パルサー／受信器１７はトランスジューサ１２に励起信号を供給するように構成されている。図２のシステムでは送信／受信モードで単一のトランスジューサ１２を使用し図１の個別トランスジューサ及び受信器素子を置き換えている点を除けば、図２に示したシステムは図１に示したシステムと同様である。したがって、トランスジューサ及び受信器素子は、その実現形態に応じて別々に提供することや、同じユニットによって提供することが可能であることを理解されたい。パルサー／受信器１７は、トランスジューサ１２に励起信号を供給するように構成されている。トランスジューサ１２は付勢されると、対象物１４の少なくとも１つのサブボリューム内に超音波エネルギーを送信する。一実施形態では、その超音波エネルギーは基本波周波数ｆ_０で送信される。トランスジューサ１２は、対象物から基本波周波数ｆ_０とその少なくとも１つの高調波周波数ｎ＊ｆ_０とで受信エネルギーを検出しており、またパルサー／受信器１７はこのトランスジューサ１２からエネルギー・データを受け取っている。一実施形態では、受信エネルギーから振幅データが導出されており、この振幅データは送信された超音波エネルギーの様々な電圧レベルを表している。一例では、そのトランスジューサはブロードバンド・トランスジューサを含む。

図３は、対象物の微細構造診断のための一方法を表した流れ図である。工程２２では、基本波周波数ｆ_０の超音波エネルギーで少なくとも１つの対象物のサブボリュームが音波照射される。一例では、その基本波周波数ｆ_０は５ＭＨｚである。

工程２４では、対象物からのエネルギー・データが、基本波周波数ｆ_０と少なくとも１つの高調波周波数ｎ＊ｆ_０とで収集される。このエネルギー・データは、トランスジューサ１２に印加される励起電圧に関する様々な振幅レベルで収集される。ある具体的な実施形態では、そのエネルギー・データは基本波周波数ｆ_０と第２高調波周波数２ｆ_０とで収集される。

工程２６では、受け取ったエネルギーから導出した信号の振幅データを用いて非線形性パラメータが決定される。非線形性パラメータは第２高調波２ｆ_０の振幅と基本波周波数ｆ_０の振幅の平方との関数である。また別の実施形態では、非線形性パラメータを得るために第２高調波２ｆ_０の振幅と基本波周波数ｆ_０の振幅の平方との比がプロットされる。

図４は、上述した超音波システムによって検査される試料対象物のブロック図である。この例では、試料対象物１４は細粒チタンを含む。この対象物はさらに、対象物の内部に埋め込まれた大粒子領域３２、３４及び３６を含む。大粒子領域３２、３４及び３６のサイズは、図４で分かるように異なっている。図５は対象物１４の側面図である。大粒子領域は、対象物の最上面から概ね１３ｍｍの位置に埋め込まれている。一実施形態では、その大粒子領域は対象物と同じ素材から形成されている。

図６は、図３で示した技法を用いて決定した２つの非線形性パラメータに関するプロットを表したグラフである。ｙ軸は第２高調波周波数２ｆ_０の振幅を意味しており、またｘ軸は基本波周波数ｆ_０の振幅の平方を意味している。探触子が細粒子を備えた領域から大粒子を含む領域まで移動するに連れてその非線形性パラメータが変化する。探触子が細粒子を備えた領域の上を移動する際に取得されたプロットを参照番号３８で表している。同様に、探触子が大粒子を含む領域の上を移動する際に取得されたプロットを参照番号４０で表している。

一実施形態では、非線形性パラメータの値は対象物のサブボリュームに関する粒子サイズの関数である。この関数から、計測した非線形性パラメータを粒子サイズと関連させるための式を生成することができる。また別の実施形態では、非線形性パラメータを計測しかつ上述した式を適用することによってその粒子サイズが決定される。非線形性の値のしきい値は、その値を超えると素材粒子サイズが受け入れ不可能となるように確定される。このしきい値はユーザ定義によることや、少なくとも１つの較正用試料を用いて決定されることがある。

図３について続けると、工程２８では、非線形性パラメータを使用して対象物のサブボリュームに関する粒子サイズが決定される。さらに非線形性パラメータを使用して、対象物内部での粒子サイズの変動が計測される。一実施形態では、その非線形性パラメータ「β」は次式を用いて決定される。

β＝８（ａ_２）／（（ａｋ^２）（ａ_１）^２） （式１）
ここで、「ａ」は超音波エネルギーによって伝播される距離であり、ｋは伝播ベクトルであり、ａ_１は基本波周波数ｆ_０における信号の振幅であり、またａ_２は第２高調波周波数ｆ_２における信号の振幅である。粒子サイズの変動は、選択したサブボリューム内で計測した「β」の変動から推定することができる。

工程２９では、非線形性パラメータを用いて、不均質な対象物の疲労損傷及び／または構造状態が決定される。本明細書で使用する場合、不均質な対象物とは、当該ボリュームの素材全体にわたる歪み傾斜によって記述した対象物の構造状態を意味している。この非線形性パラメータは、損傷やサービス照射を受けた可能性がないボリューム内で計測されており、またこの非線形性パラメータは損傷を有すると疑われるボリューム内で計測されたパラメータと比較される。「β」の相対差は損傷の程度の尺度として使用される。図７は、低サイクル疲労損傷を表示させる一方式を表したグラフである。ｘ軸は「障害に至るサイクル数」を意味しており、またｙ軸は未損傷の対象物と損傷した対象物の間の非線形性パラメータの差の百分率値を意味している。参照番号４２及び４４はチタンを含む試料対象物を示しており、また参照番号４６はニッケルベースの超合金を含む試料対象物を示している。

上述の発明は、対象物内部における素材の変化を非破壊的方式で検出する能力を含む幾つかの利点を有している。この技法によればさらに、試験の実行に要する時間が短縮される。本システムは非破壊的な試験技法を利用しているため、試験の実施コストも低減される。非破壊試験によりさらに、試験される対象物の寿命が確実に延長される。

本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。

本発明の一態様に従って実現させた超音波検査システムのブロック図である。 本発明の別の態様に従って実現させた超音波検査システムのブロック図である。 対象物の微細構造診断のための一方法の流れ図である。 超音波検査システムを用いて検査を受けている対象物の上面図である。 超音波検査システムを用いて検査を受けている対象物の側面図である。 本発明の一態様を用いて決定した２つの非線形性パラメータに関するプロットを表したグラフである。 低サイクル疲労損傷を表示させる一方式を表したグラフである。

符号の説明

１０ 超音波検査システム
１２ 超音波トランスジューサ
１４ 対象物
１６ 超音波受信器
１７ パルサー／受信器
１８ プロセッサ
２０ 表示ユニット
３２ 大粒子エリア
３４ 大粒子エリア
３６ 大粒子エリア
３８ 細粒子のプロット
４０ 大粒子のプロット
４２ チタン試料
４４ チタン試料
４６ ニッケルベースの超合金

Claims (4)

1. 対象物の微細構造診断のための方法であって、
   対象物の部分に超音波エネルギーを音波照射する工程と、
   基本波周波数及びその少なくとも１つの高調波周波数で対象物からの受信エネルギーを収集する工程と、
   前記受信エネルギーを用いて非線形性パラメータを決定する工程と、
   （ａ）対象物の部分に関する粒子サイズと（ｂ）対象物内での粒子サイズの変動のうちの少なくとも一方を決定するために、前記非線形性パラメータを使用する工程と、
   を含む微細構造診断方法。
2. 前記収集工程は振幅データを第２高調波周波数で収集する工程を含み、かつ前記非線形性パラメータは該第２高調波の振幅と基本波周波数の振幅の平方との関数である、請求項１に記載の方法。
3. 前記音波照射工程は複数のパルサー電圧で部分を音波照射する工程を含み、かつ前記収集工程は該パルサー電圧に関する振幅データを収集する工程を含む、請求項１に記載の方法。
4. 対象物の微細構造診断のための超音波検査システムであって、
   対象物の少なくとも１つの部分に超音波エネルギーを音波照射するように構成された超音波トランスジューサと、
   基本波周波数及びその少なくとも１つの高調波周波数で対象物からの受信エネルギーを収集するように構成された超音波受信器と、
   前記受信エネルギーを用いて非線形性パラメータを決定し、さらに該非線形性パラメータを用いて（ａ）対象物の部分に関する粒子サイズと（ｂ）対象物内での粒子サイズの変動のうちの少なくとも一方を決定するように構成されているプロセッサと、
   を備える超音波検査システム。