JP5976330B2 - 構造健全性監視システム - Google Patents

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Description

本発明は、構造健全性監視システム、例えば航空機構造等の構造物の非破壊評価に使用されるシステムに関するものである。
構造健全性監視システムはますます注目を呼んでいる。このシステムは、構造物の整合性を評価する非破壊方法を提供する。例えば、航空宇宙産業における構造健全性監視システムの使用はさらに広範囲に及んでいる。
これは、上記システムが、従来の同等物よりもおおむね迅速で費用の安い航空機（又は航空機の特定構造部品）の健全性の非侵襲評価の方法を提供するからである。さらに、構造健全性監視システムを組み込むことによって、保守検査の間隔を長くすることができ、航空機の寿命期間を延ばすことができ得る。
構造健全性監視システムは金属（例えばアルミニウム及びアルミ合金）構造物及び複合構造物のいずれにも使用されてきた。
構造物を通って伝播する弾性波を監視する、例えば圧電トランスデューサー等のトランスデューサーのアレイを含む構造健全性監視システムが知られている。構造物内の異常は弾性波を反射し、これらの反射はトランスデューサーによって検出される。例えば、樹脂繊維複合構造物の層間剥離と、複合構造物及び金属構造物両方の亀裂により、検出可能な反射が発生する。
一以上の異常及び/又は少なくとも一つの異常の存在を特定することのみに加えて、異常の位置を決定することができる。例えば、トランスデューサーの分散アレイを使用することが知られている。反射波のトランスデューサーへの到着時間の差は、各トランスデューサーからの同等距離に変換され、ここから三角分割を使用して異常の位置を決定することができる。
しかしながら、これらのシステムは、大量の分布センサを配設し位置付けする必要があるため、取付け費用が高く、時間がかかる。さらに、大量のセンサによって航空機が重量的に不利になり、構造物の基礎パラメータ、例えば構造物の慣性分布及び剛性にも影響が出る。
トランスデューサーの分散アレイの代替は、トランスデューサーのフェーズドアレイを使用することである。上記アレイにおいて、トランスデューサーは相互に近接して位置づけされている。フェーズドアレイアンテナ等の上記適用においては当然ながら、トランスデューサーは励起信号を使用して励起され、励起信号の位相はトランスデューサー間で異なるため、ビーム誘導が影響される。トランスデューサーは反射信号を聴き取り、測定された反射飛行時間、及び既知の伝播方向を使用することにより、一以上の異常及び/又は少なくとも一つの異常の位置を決定する。
しかしながら、上記フェーズドアレイシステムにも不利な点がある。フェーズドアレイに依存するビーム誘導技術では、指向性情報を抽出するために処理を行う複合信号を必要とする。さらに、上記システムは例えば格子ローブ等のアレイの側面への信号漏れとともに、意図された誘導角度以外の角度をなす強い二次信号に悩まされる。また、ビームの形成及び誘導に要求される精密さにより、トランスデューサーの使用及び取付けにも厳しい要求が課される。
したがって、トランスデューサーの分散アレイとフェーズドアレイの確立された技術には複雑性、厳しい製造及び設計要件の問題があり、これにより製造及び構造物内への一体化の費用が大幅に増加する。データの生成及び処理の複雑性によりさらに費用が上がる。
この結果、複雑性が低下し、費用が削減され、取付けの簡単な構造健全性監視システムが必要となる。
この背景に対し、また第１態様より、本発明は、構造健全性監視システムを使用して構造物内の損傷を評価する方法を提供する。構造健全性監視システムは、構造物と動作可能に接触するように配置された一以上の、一連の、又は少なくとも３つの受信機、及びこれもまた構造物と動作可能に接触している送信機を含む。
本方法は、送信機を操作して構造物を通って伝播する弾性波を励起することを含む。弾性波は、少なくとも３つの、又は一連の３つの受信機、これら受信機のうちのいずれか一つ又は組み合わせのうちの一要素、又は単独の送信機によって生成することができる。単独の場合、送信機は一連の３つの受信機に近接して位置づけすることができる。
本方法はさらに、少なくとも３つの受信機から監視信号を収集して、構造物内の全ての異常からの弾性波の反射を監視することを含む。監視信号は解析されて、構造物内の一以上の異常及び/又は少なくとも一つの異常が特定される。
このため、本発明は構造健全性の監視において使用する簡単なシステムを提供する。このシステムは、非破壊方法を使用し、金属又は複合であってよい航空宇宙構造物等のあらゆる種類の構造物に適用可能である。送信機を使用して弾性波を生成し、その後で受信機を使用して弾性波の反射を検出するアクティブシステムが採用される。
構造物内の異常を特定するのに一以上の、少なくとも３つの受信機、又はわずか３つの単純なアレイが使用される。したがって、既知のトランスデューサーの分散アレイ及びフェーズドアレイと比較すると、必要となるトランスデューサーが少ない。異常の位置は、フェーズドアレイで要求される遥かに複雑な計算とは対照的に、簡単な一連の線形方程式を解くことによって特定し見つけることができる。受信機の一以上のアレイは、飛行時間法を使用して異常を見つけることができる、又は受信機の２つ以上のアレイを使用して異常を見つけることができ、ここで各アレイは異常の方向を決定するのに使用される。
送信機及び受信機は多数の好適な選択肢より選択することができる。例えば、送信機は弾性波を構造物に送信することのみ可能な簡単なデバイスであってよい。受信トランスデューサーは、構造物内を移動する弾性波を検出することのみ可能であってよい。しかしながら、トランスデューサーを、構造物内を移動する弾性波を励起し検出するのに使用できる送信機及び受信機に使用することが好ましい。この目的を達成するために、圧電トランスデューサー、例えばマクロファイバー複合圧電トランスデューサー等が特に好ましい。送信機及び受信機は、例えば下記の仕様説明に説明される方法によって等の全ての好適な方法で、構造物に結合させることができる。
任意に、監視信号の解析は、下記のように差分操作を行うことを含む。各受信機に対して、受信機によって収集された監視信号から基準信号が減算される。監視信号には差分操作の前に前処理を施すことができる。例えば、監視信号のフィルタリング、ノイズ除去、信号の平均値算出、温度補償、及びウェーブレット分解を行うことができる。
各受信機の基準信号は、例えば運航サービス前、及び製造及び組立て後のある時間、又は構造物の寿命期間中等の既知の状態にある時の一時点において構造物から収集される場合がある。
差分操作は例えば監視信号から基準信号を減算する、又はその逆を行う、又は監視信号を基準信号によって割り算する、又はその逆を行う等の全ての好適な操作であってよい。結果として得られた差分信号を次に使用して、構造物内の一以上の異常、及び/又は少なくとも一つの異常を特定し、これにより信号のノイズの中から反射事象を特定することがさらに簡単になる。閾値処理技術を使用して、例えば閾値レベルを上回るピークを探すことによって等、反射事象を特定することができる。
一以上の異常、及び/又は少なくとも一つの異常を特定するための監視信号の解析には、差分信号において見られる反射の飛行時間を計算することが含まれうる。３つの受信機によって収集された信号の時間は、弾性波の伝達時間を参考に決定することができる。対応距離はそのように決定された飛行時間から計算することができる。一以上の異常、及び/又は少なくとも一つの異常の位置は計算した距離から決定し特定することができる。例えば、この位置は計算した距離、及び送受信機の既知の予め定められた位置から確定し解くことができる。３つ以上の受信機を使用する場合、過剰決定システムが生じ、この過剰決定システムを最小二乗法を用いて任意に解いて、位置を算出することができる。
別の態様によれば、本発明は一対のアレイを含む構造健全性監視システムを使用して構造物内の損傷を評価する方法に属するものである。第１アレイは構造物と動作可能に接触するように配置された少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触するように配置された送信機を含む。第２アレイは構造物と動作可能に接触するように配置された少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触するように配置された送信機を含む。第１及び第２アレイは間隔を置いて配置されている。
本方法は、第１アレイの送信機を使用して弾性波が構造物を通るように伝播させて、第１アレイの少なくとも３つの受信機から監視信号を収集して、構造物内の少なくとも一つの異常からの弾性波の反射を監視することを含む。本方法はさらに、第２アレイの送信機を使用して弾性波が構造物を通るように伝播させて、第２アレイの少なくとも３つの受信機から監視信号を収集して、構造物内の少なくとも一つの異常からの弾性波の反射を監視することを含む。
監視信号を解析して、少なくとも一つの異常を特定し、第１及び第２アレイそれぞれから少なくとも一つの異常への方向を決定する。任意に本方法は、各第１及び第２アレイから異常への方向を構造物上のアレイの既知の箇所と組み合わせて使用して、構造物内の異常の箇所を決定することを含む。
第２アレイは、本発明の最初に記載した態様に関して上述したように、また上述した全ての任意の配置構成によって変更されたように、第１アレイと同様のものであってよい。例えば、弾性波は少なくとも３つの、又は一連の３つの受信機のうちの一要素、任意の一つ又はこれらの組み合わせ、又は単独の送信機によって生成することができる。単独の場合、送信機は一連の３つの受信機に近接して位置づけすることができる。また、送信機及び受信機は構造物内を移動する弾性波を励起して検出するために使用できるトランスデューサーであってよい。例えばマクロファイバー複合圧電トランスデューサー等の圧電トランスデューサーが特に好ましい。
任意に、第１及び第２アレイそれぞれにおいて、各受信機は縦軸と横軸を有する圧電トランスデューサーである。受信機は、２つの受信機の縦軸が整列しないように配置される。各受信機について監視信号を解析して、各アレイ内の既知の受信機の配向と組み合わせて使用される縦および横の歪み成分を決定して、異常への方向を決定することができる。
別の態様によれば、本発明は、構造物を通る弾性波を励起するように配置された送信機の一又は複数のアレイと、構造物内の異常からの弾性波の反射を含む監視信号を収集するように配置された一又は複数の、又は一連の、又は少なくとも３つの受信機と、上述した全ての方法を実行するように構成されたコントローラを含む構造健全性監視システムに属するものである。
さらに別の態様によれば、本発明は、構造物と動作可能に接触している一又は複数の、又は一連の、又は少なくとも３つの受信機；構造物を通って伝播する弾性波を励起するように構成された送信機；及び少なくとも３つの受信機それぞれから収集された監視信号を収集して処理するために受信機に動作可能に結合しているプロセッサを含む構造物を監視するための構造健全性監視システムに属するものである。
プロセッサは監視信号を解析して、構造物内の一又は複数の異常及び／又は少なくとも一つの異常を特定するように構成されている。
任意に、トランスデューサーは送信機と、少なくとも３つの受信機のうちの一つを提供する。送信機は少なくとも３つの受信機に近接して位置していてよい。少なくとも３つの受信機はトランスデューサー、任意に例えばマクロファイバー複合圧電トランスデューサー等の圧電トランスデューサーであってよい。
任意に、プロセッサは差分操作を行うことによって監視信号を解析するように構成されており、これにより、少なくとも３つの各受信機について、メモリに記憶された基準信号をその受信機によって収集された監視信号から減算し、得られた差分信号を構造物内の少なくとも一つの異常を特定するのに使用する。プロセッサは監視信号を解析して、反射の飛行時間を計算することによって少なくとも一つの異常を特定するように構成することができる。プロセッサは、監視信号を解析して計算した飛行時間から対応距離を計算して、計算した距離から少なくとも一つの異常の位置を決定するように構成することができる。プロセッサは、既知の送信機と少なくとも３つの受信機の位置を使用して、計算した距離から位置を解くことによって少なくとも一つの異常の位置を決定するように構成することができる。
別の態様によれば、本発明は第１及び第２アレイを含む構造物を監視する構造健全性監視システムに属するものである。第１アレイは、構造物と動作可能に接触している少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触している送信機を含む。第２アレイは、構造物と動作可能に接触している少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触している送信機を含む。第２アレイは第１アレイから間隔を置いて配置されている。
第１アレイの送信機は、構造物を通って伝播する弾性波を励起するように構成されており、プロセッサは第１アレイの受信機に動作可能に結合して、少なくとも３つの受信機のそれぞれから監視信号を収集する。第２アレイの送信機は、構造物を通って伝播する弾性波を励起するように構成されており、プロセッサは少なくとも３つの受信機それぞれから監視信号を収集するために第２アレイの受信機に動作可能に結合している。プロセッサは、監視信号を解析して、構造物内の少なくとも一つの異常を特定し、第１及び第２アレイそれぞれから少なくとも一つの異常への方向を決定するように構成されている。
任意に、プロセッサは第１及び第２アレイそれぞれから異常への方向を、構造物上のアレイの既知の箇所と組み合わせて使用して、構造物内の異常の箇所を決定するように構成される。
任意に、トランスデューサーは第１及び第２アレイのうちのいずれかあるいは両方に、送信機と、少なくとも３つの受信機のうちの一つの両方を提供することができる。送信機は、第１及び第２アレイのいずれかあるいは両方において少なくとも３つの受信機に近接して位置づけすることができる。
任意に、プロセッサは、差分操作を行うことにより監視信号を解析するように構成されており、これにより、各受信機について、基準信号をその受信機によって収集された監視信号から減算し、得られた差分信号を構造物内の少なくとも一つの異常を特定するのに使用する。構造健全性監視システムは、任意に構造物が実利用に対して準備ができていると見なされた後に、各受信機について、構造物から基準信号を収集するように構成することができる。
任意に、第１及び第２アレイそれぞれにおいて、各受信機は縦軸及び横軸を有する圧電トランスデューサーであり、受信機は２つの受信機の縦軸が整列しないように配置される。プロセッサは各受信機について、監視信号を解析して縦および横の歪み成分を決定し、これらの成分を各アレイ内の受信機の既知の配向と組み合わせて使用して、異常への方向を決定するように構成することができる。
その他好ましいが任意であるこの構造健全性監視システムの特徴は添付の請求項に記載されている。これらの特徴は、本発明の方法態様に関して前述したように変化させることができる。
本発明をさらに容易に理解することを可能にするために、好ましい実施形態を下記の図面を参照しながら実施例を用いてここで説明する。
図１は構造物に取り付けられた本発明の一実施形態による構造健全性監視システムの概略図である。 図２は本発明の実施形態による構造物内の損傷を評価する方法を概略的に示す図である。 図３は２つのトランスデューサーのアレイを有する構造物を概略的に示す図である。 図４Ａは図３に示すものと同様のアレイを含む、トランスデューサーのアレイの１つの例示配置構成を示す図である。 図４Ｂは図３に示すものと同様のアレイを含む、トランスデューサーのアレイの１つの例示配置構成を示す図である。 図４Ｃは図３に示すものと同様のアレイを含む、トランスデューサーのアレイの１つの例示配置構成を示す図である。 図４Ｄは図３に示すものと同様のアレイを含む、トランスデューサーのアレイの１つの例示配置構成を示す図である。 図５は構造健全性監視システムを取り付ける方法、及び構造健全性監視システムが取り付けられた構造物の健全性の評価におけるその後の使用を概略的に示す図である。 図６は基準信号を取得する方法を概略的に示す図である。 図７は本発明の別の実施形態による構造物内の損傷を評価する方法を概略的に示す図である。 図８は本発明のさらに別の実施形態による構造物内の損傷を評価する第１方法を概略的に示す図である。 図９は本発明の実施形態による構造健全性監視システムのトランスデューサーによって生成された差分信号を示すグラフである。 図１０は図９に示す信号の飛行時間の修正を示すグラフである。 図１１は構造物内の異常から３つのトランスデューサーのアレイまで弾性波が移動した距離を示す概略図である。 図１２は本発明の別の実施形態による構造物内の損傷を評価する第２の方法を概略的に示す図である。 図１３はトランスデューサーの２つのアレイと構造物内の異常の概略図である。 図１４は図１３のトランスデューサーの一つをさらに詳しく示す図である。 図１５は本発明による構造健全性監視システムが装着された航空機と、構造健全性監視システムの可能な位置を示す図である。
図１は構造物１０、この実施例では航空機の機体用の樹脂繊維複合外板パネルを示す。構造物１０には構造健全性監視システム１００が備わっている。構造健全性監視システム１００は、構造物１０に固定された一又は複数のトランスデューサーのアレイ１０５を含む。この実施例では、トランスデューサー１０５は構造物１０の内側の面に固定されているが、トランスデューサー１０５は外側の面に固定することができる、又は構造物１０自体の内部に配設することができる。図１に示すトランスデューサー１０５のアレイはデータの接続部１３０を介してプロセッサ１２０に接続されている。さらなるデータの接続部１４０により他の接続デバイスにデータを転送することが可能になる。
構造健全性監視システム１００は、構造物１０に物体が衝突することによって生じうる複合構造物１０内の層間剥離の場所等の損傷について構造物１０を監視する。損傷の部位は図１の２０で図示されている。構造健全性監視システム１００は図２に示す方法にしたがって使用することができる。
ステップ２１０において、アレイ１０５からのトランスデューサー１１０を操作して、図１の３０において示すように、構造物１０を通って伝播する弾性波を励起する。弾性波が層間剥離した部分２０にぶつかると、弾性波の一部が図１の４０において示すように反射する。ステップ２２０において、トランスデューサー１１０のアレイ１０５を使用して、感知した弾性波の信号を収集する。これらの信号は損傷部位２０で反射した弾性波からの寄与を含む。
トランスデューサー１１０のアレイ１０５を使用して、全ての反射事象が確実に保存されるように、弾性波が構造物１０の一番遠い縁部まで伝播しまた戻るのに掛かる時間（又はこれよりわずかに長い時間）に対応する時間窓全ての信号を収集することができる。ステップ２３０において、信号を解析し、構造物１０内の一又は複数の異常及び／又は少なくとも一つの異常２０を表す全ての反射事象を、構造物１０の潜在的な損傷を表すものとして特定する。
ステップ２４０において、見つかった異常２０を報告する。この報告は視覚的（例えばモニター等に表示するなど）なものであってよく、又は後の検索及び検査のためのデータの保存（例えば、見つかった異常２０の詳細を提供するデータファイルの保存）に対応させることができる。２５０において図示するように、本方法は、構造物１０が構造健全性監視システム１００によって定期的に又は継続的に監視されるように繰り返すことができる。図２の方法が繰り返される頻度は所望に応じて選択することができる。
構造健全性監視システムのプロセッサ１２０は、トランスデューサー１１０によって提供された信号に必要とされる解析を行うことができる限りにおいて、多様な形態をとることができる。プロセッサ１２０は、構造物１０内の弾性波を励起するトランスデューサー１０５へ駆動信号を送信できることが好ましい。好適にプログラムされたコンピュータはプロセッサ１２０としての良い選択である。プロセッサ１２０は図１に示すようにトランスデューサー１１０のアレイ１０５近辺に位置づけすることができる、又はプロセッサ１２０はトランスデューサー１１０のアレイ１０５とは離れたところに位置づけすることができる。
トランスデューサー１１０からの信号は、適切な長さのデータリンク１３０によってプロセッサ１２０へ伝達することができる。データリンク１３０は有線リンクあるいは無線であってよい。さらに、データリンク１３０は専用リンク又は共有リンク、例えば共有データバス又はその他のネットワークの一部であってよい。
任意に、プロセッサ１２０は、例えば別のコンピュータ又はディスプレイ等の別のデバイスへの接続を可能にするさらなるデータリンク１４０を有することができる。データリンク１４０は有線又は無線、専用又は共有であってよい。
アレイ１０５内の一以上及び好ましくは３つ以上のトランスデューサー１１０の異なる配置構成が可能である。好ましい実施形態では、４つのトランスデューサー１１０のアレイ１０５が使用され、このうちの一つは送信トランスデューサー１１０Ｔであり、３つは受信トランスデューサー１１０Ｒである。送信トランスデューサー１１０Ｔとして機能しているか、又は受信トランスデューサー１１０Ｒとして機能しているか否かに関わらず、現在は米国フロリダ州３４２３６、サラソータ、メインストリート１９９０、スイート７５０のスマートマテリアル社から入手可能なものと同様のマクロファイバー複合圧電トランスデューサーを使用することが好ましい。上記トランスデューサーは弾性波の送信及び検出のいずれも可能である。トランスデューサー１１０がどのように構造物１０上に配置されるかは、トランスデューサー１１０をどこに装着させるかによって調整することができる。
図３は、構造物１０の第２実施例を示し、今回は飛行機の翼外板パネルである。トランスデューサー１１０のアレイ１０５の二つの配置構成を有する構造物１０を示す。図示したアレイ１０５Ａの第１の配置構成は、構造物１０の角近くに設置されたトランスデューサー１１０を含む。図示したアレイ１０５Ｃの第２の配置構成は、構造物１０の中央に設置されたトランスデューサー１１０を含む。図４Ａ〜Ｄは、トランスデューサー１１０Ｒ、Ｔのアレイ１０５Ａ〜Ｄの４つの例示の配置構成を示す。図４Ａ及び４Ｂの配置構成１０５Ａ及び１０５Ｂは構造物１０上の角の箇所により適しており、一方で配置構成１０５Ｃ及び配置構成１０５Ｄは中央位置により適している。
図４Ａ〜Ｄは、長方形の断面を有する受信トランスデューサー１１０Ｒを示す。長方形の断面は、受信トランスデューサー１１０Ｒの縦軸及び横軸に対応する。図４Ａ〜Ｄに示す４つの配置構成全てにおいて、受信トランスデューサー１１０Ｒは異なる方向に延びる縦軸を有するため、２つのトランスデューサー１１０Ｒが平行に整列することはない。しかしながら、他に考えられる実施形態において、２つ以上の受信トランスデューサー１１０Ｒが並列に延在することができる。
図４Ａは、３つの受信トランスデューサー１１０Ｒと一つの送信トランスデューサー１１０Ｔを含むアレイ１０５Ａを示す。受信トランスデューサー１１０Ｒは２つの受信トランスデューサー１１０Ｒが並列にならないように配置される。第１の対の受信トランスデューサー１１０Ｒ１及び１１０Ｒ２は互いに直角に配置され、第３の受信トランスデューサー１１０Ｒ３が直角と交差している。
図３に示すように、受信トランスデューサー１１０Ｒは、直角を成す２つの受信トランスデューサー１１０Ｒ１及び１１０Ｒ２が構造物１０の縁部の方向に通常延びて角を形成し、第３の受信トランスデューサー１１０Ｒ３が構造物１０の中央を指すように置くことができる。送信トランスデューサー１１０Ｔは、受信トランスデューサー１１０Ｒの３つの端部が接触するところに近接して置かれる。
図４Ｂは、図４Ａの配置構成と同様の配置構成１０５Ｂを示す。３つの受信トランスデューサー１１０Ｒは同じ配向を有するが、送信トランスデューサー１１０Ｔは交差しているトランスデューサー１１０Ｒ３の別の端部に近接するように移動している。つまり、送信トランスデューサー１１０Ｔは、別の２つの受信トランスデューサー１１０Ｒ１及び１１０Ｒ２の直角と交差する受信トランスデューサー１１０Ｒ３の端部、すなわち他の２つの受信トランスデューサー１１０Ｒ１及び１１０Ｒ２と離れた端部と隣接している。
図４Ｃは、４つのトランスデューサー１１０のコンパクトな配置構成１０５Ｃを示す。３つの受信トランスデューサー１１０Ｒは相互に対して６０度の角度に配置され、これにより中央に置かれた送信トランスデューサー１１０Ｔを囲む正三角形が形成される。図４Ｄは、中央の送信トランスデューサー１１０Ｔが外向きに放射状に広がり、相互間の角度が１２０度になるように配置された３つの受信トランスデューサー１１０Ｒの間に置かれたさらなる配置構成１００Ｄを示す。当然ながら、個々の配置構成１０５Ａ〜Ｄのいずれにおいても、２つの受信トランスデューサー１１０Ｒは相互に平行に整列していない。
図５は、本発明にしたがって構造健全性監視システム１００を取り付けて操作する方法を示す。ステップ５１０において、構造健全性監視システム１００は構造物１０内又は構造物１０上に取り付けられる。これは構造物１０の製造中に行うことができる。例えば、複合構造物内に取り付ける場合、トランスデューサー１１０及び付属接続部を繊維織物とともに積層し、複合構造物１０が加工されている間に樹脂マトリックス内で硬化させて構造物１０の一体部分とすることができる。その後配線を、たいがい外部に設置されるプロセッサ１２０に接続させることができる。
あるいは、一又は複数の、好ましくは３つ以上のトランスデューサー１１０を多数の異なる方法で構造物１０に装着することができる。トランスデューサー１１０は構造物１０に面接合させる、接着剤を使用して張り付ける、例えばねじ又はリベット等の機械締結具、又は装着が堅く長持ちするその他全ての方法を使用して構造物１０に固定することができる。
トランスデューサー１１０は例えば、構造物１０の縁部、又は表面等の構造物１０に設けられた収納部に位置づけすることができる。構造健全性監視システム１００は例えば、すでに運行中の航空機のパーツ等の既存の構造物１０に組み込むことができる。
トランスデューサー１１０は、構造物１０の表面、内側又は外側の面のいずれかに単純に固定することができる、又は構造物を加工してトランスデューサー１１０をより良く適合させることができる。例えば、外部に取り付けした場合、収納部を構造物１０の外側面に形成することができ、これによりトランスデューサー１１０の装着と構造物１０の同高面を修復することが可能になる。トランスデューサー１０５を内部に位置づけすることにより、トランスデューサー１０５が例えば紫外線及び氷等の環境因子から保護され、また航空機５０の空気力学に影響を与えないため有利である。しかしながら、内部へのトランスデューサー１０５の位置づけにはアクセスが難しいという問題が生じうるため、トランスデューサー１０５の外側面への固定が好ましい。加えて、例えばビーム等のある構造物１０は上記のような内側及び外側面を有さない可能性がある。
図５の方法に戻ると、構造健全性監視システム１００をステップ５１０において取り付けた後に、ステップ５２０において、図６を参照しながら後にさらに詳しく説明するように基準信号を収集する。基本的には、本方法は構造物１０を使用中に、すなわち送信トランスデューサー１１０Ｔが構造物を通る弾性信号を発信し、受信トランスデューサー１１０Ｒが受信した信号を記録するときに信号を収集することに似ている。好ましくは、基準信号は構造物１０が最終的な構成に取り付けられたとき（例えば、機体パネルが接合されて航空機の機体が完成したとき）に収集される。
基準信号は、構造物１０が未使用の損傷のない状態にある時に各受信トランスデューサー１１０Ｒから収集される。全く異常はなくても、基準信号には、例えば縁部、リベット、ファスナー、及びスティフナー又はその他の支持構造物との接合部等の構造物１０内の所望の形状において弾性波が反射するために、反射事象が含まれる。
基準信号は構造物１０の進行中の操作において、後の使用のためにプロセッサ１２０によって保存される。各センサ又はトランスデューサー１１０Ｒの基準信号は、上記構造物が例えば製造及びアセンブリ後のある時点、及び運航サービス前等の既知の状態にある間のある時点において、未使用の構造物から収集することができる。
構造物が実利用及び定期的な保守、例えば定期的な構造検査及び保守期間、およびその他の適切な時間を持続している間に、引き続き新しい及び／又は交換用の基準信号を取得することもまた好ましい。こうすることにより、製造後であるか、又は構造物が実利用に対して準備ができていると見なされた後のその他全ての時点又は事例であるかに関わらず、上記構造物の公称操作状態からの変化を監視することができる。
構造物１０は寿命期間に入り、ステップ５３０及び戻りループ５４０によって図示されるように、構造健全性監視システム１００によって定期的に監視される。図２を参照して前述したように、送信トランスデューサー１１０Ｔは構造物１０を通って伝播する弾性波を励起するのに使用され、受信トランスデューサー１１０Ｒは弾性波の反射を含む監視信号を収集する。構造物１０内の異常を特定するために、適切なトランスデューサー１１０Ｒの基準信号を監視信号から減算して、所望の形状からの影響を取り除く（又は少なくとも最小化する）ことによって構造物１０内のすべての異常２０からの反射がさらに明らかになるようにする。
ここで、基準信号を収集する方法を説明し図６に示す。ステップ６１０において、プロセッサ１２０を使用して、送信トランスデューサー１１０Ｔの振動を起こす信号を提供することによって送信トランスデューサー１１０Ｔを駆動する。これらの振動は構造物１０に送信され、構造物１０を通って伝播する。プロセッサ１２０はまた、ステップ６２０に示すように、弾性波が励起された後の規定の期間において受信トランスデューサー１１０Ｒによって生成された信号の収集も命令する。
受信トランスデューサー１１０Ｒに戻る反射波の伝播により受信トランスデューサー１１０Ｒが振動して対応する振動電子信号を生成し、この振動電子信号はステップ６３０で示すようにプロセッサ１２０によって取得され保存される。好ましくは、基準信号の信号対ノイズ比がステップ６１０及び６２０を繰り返すことによって、一連の弾性波が励起され、各時点において基準信号が累積的に取得されて統計値が上がるように改善される。
本発明による構造健全性監視システム１００は異なるやり方で実行することができる。２つの現在好ましい実施形態をここで説明する。第１実施形態は、トランスデューサー１１０の単一アレイ１０５を使用して、一つの異常２０又は一より多い数の異常２０の箇所を見つけるために飛行時間法を用いる。第２実施形態は、トランスデューサー１１０の２つ以上のアレイ１０５を用いる。トランスデューサー１１０の各アレイ１０５を使用して、一つの異常２０への方向、又は一より多い数の異常２０への方向を決定する。２つ以上のアレイ１０５によって提供される方向を使用して、三角分割を通してある異常２０、又は一より多い数の異常２０の箇所を決定する。
図７は、飛行時間決定法を使用する構造健全性監視システム１００を操作する第１の方法をさらに詳しく示す。ステップ７１０において、プロセッサ１２０は送信トランスデューサーを励起し、構造物１０を通る弾性波を発信する。プロセッサ１２０は次に監視信号の取得７２０を、一又は複数の受信トランスデューサー１１０Ｒによって生成された監視信号を収集し保存することによって開始する。図６に関して上述したように、信号対ノイズ比はステップ７１０及び７２０を繰り返して、２つ以上の弾性波が伝播している間に監視信号を累積させることによって改善することができる。
ステップ７３０において、各受信トランスデューサー１１０Ｒによって生成された監視信号は、減算することにより差分信号が生成されるそのトランスデューサー１１０Ｒの関連基準信号を有する。ステップ７４０において、プロセッサ１２０は生成した差分信号を解析して、差分信号内の反射事象を特定する。本方法は次に、下記のように特定された各反射事象を継続する。
反射事象が検出されない場合、本方法は経路７４５及び７９０を介して開始７１０までループバックすることができる。反射事象が検出されると、本方法はステップ７５０、７６０及び７７０を通して継続し、各反射事象に対して戻りループ７７５を介して繰り返す。ステップ７５０において、各差分信号における反射事象の飛行時間を決定する。
例えば、プロセッサ１２０は、ステップ７１０における弾性波の発信とステップ７２０における監視信号の記録の参考となる関連クロックを有する。これにより、発信から反射事象が検出されるまでの経過時間の判断が可能になる。ステップ７６０において、プロセッサ１２０はステップ７５０で得られた各飛行時間を関連トランスデューサー１１０からの同等距離に変換し、その後で三角分割を用いて反射事象を生じさせた異常の箇所を決定する。
ステップ７７０において、プロセッサ１２０はその他の反射事象の処理が必要か否かを確認し決定する。必要である場合、本方法は経路７７５を通ってループバックする、又は、必要でない場合、本方法はステップ７８０へ続き、ここでプロセッサ１２０は特定され見つかった異常の報告が作成される。この報告はすぐに表示することができる、又は後の検査用のデータファイル等へのデータの累積に対応しうる。例えば、プロセッサ１２０はデータファイルを更新して、本方法を最後に繰り返したときに見つかった、新しく発見された異常を追加することができる。報告するステップ７８０が完了すると、本方法は経路７９０を通ってループバックし、ステップ７１０に戻る。
当然ながら、図７の方法（及び次に説明する図８の方法）は、トランスデューサー１１０の単一アレイ１０５に依存する。異常２０の箇所は、アレイ１０５のトランスデューサー１１０からの結果の三角分割を通して得られる。一よりも多いトランスデューサー１１０のアレイ１０５が構造物１０上に配設されている場合、各アレイ１０５は異常２０の箇所を決定する。決定された異常２０の箇所３０を結合させて、異常２０の単一箇所を得る。アレイ１０５が分散されているところでは、この方法で箇所を結合させることで精度が上がる。
図８は、図７と同様に構造健全性監視システム１００を操作する方法を示すが、更に詳細に説明し、幾つかの追加のステップも含まれている。
ステップ８１０及び８２０は、大部分が図７のステップ７１０及び７２０に対応する。したがって、ステップ８１０において弾性波を発信し、ステップ８２０において監視信号を取得する。しかしながら、弾性波の発信と監視信号の取得の間に短い遅延時間があるようにステップ８１５に一時停止が導入されている。これは、振幅が大きい発信信号が監視信号において検出されないようにするためである。
ステップ８３０において、プロセッサ１２０は差分信号を計算する。これは、各受信トランスデューサー１１０Ｒに対して取得されたばかりの監視信号から保存された基準信号を減算することによって行われる。
実際には、ランダム・ノイズ、温度の影響、及び電気的な不正確さによる時間移動等の多数の要因が存在するため、関連の監視信号から単純に基準信号を減算することは不可能である。異なる時点に記録された２つの信号の減算は、非常に似通った状態において記録されたにも関わらず、コヒーレントノイズをもたらすことは良く知られており、この状況も例外ではない。
実際、損傷から反射した信号の強度が弱いところでは、コヒーレントノイズレベルは損傷の検出が非常に困難になる、又はしばしば不可能になるほど高くなる可能性がある。しかしながら、フィルタリング、ノイズ除去、信号の平均値算出、温度補償、及びウェーブレット分解等のいくつかの既知の信号処理技術を適用して高い信号対ノイズ比を得ることができる。選択された信号処理技術の概略紹介は、Ｓｔａｓｚｅｗｓｋｉ Ｗ．Ｊ．氏による、２００２、複合材料における損傷検出のための合理的な信号処理、Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖ．６２、Ｎ．７〜８、ｐｐ．９４１〜９５０に記載されている。ウェーブレット解析に基づくノイズ除去手法は、Ｓｈｉｍ Ｉ．、Ｓｏｒａｇａｎ Ｊ．Ｊ．、及びＳｉｅｗ Ｗ．Ｈ．氏による、２０００、高圧ケーブルネットワークの部分放電のオンライン検出及び場所特定のノイズ低減技術、Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、Ｖ．１１、ｐｐ．１７０８〜１７１３、及びＭａｊｏｒ Ａ．Ｇ．、Ｆｒｅｔｗｅｌｌ Ｈ．Ｍ．、Ｄｕｇｄａｌｅ Ｓ Ｂ、Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ−Ｇｏｚａｌｅｚ Ａ．Ｒ．及びＡｌａｍ Ｍ．Ａ．氏による、１９９７、Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓウェーブレット閾値処理を使用した陽電子対消滅放射データの二次元角相関のノイズ除去、Ｊ．Ｐｈｙｓ．：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ、Ｖ．９、ｐｐ．１０２９３〜１０２９９によって解説されている。温度補償技術は、例えば、Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎｄｉｓ Ｇ．、Ｗｉｌｃｏｘ Ｐ．Ｄ．及びＤｒｉｎｋｗａｔｅｒ Ｂ．Ｗ．氏による、２００７、永久的に装着されたセンサを使用した誘導波構造健全性監視システムの温度安定性の研究、ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖ．７、Ｎｏ．５、ｐｐ．９０５〜９１２及び、Ｌｕ Ｙ．及びＭｉｃｈａｅｌｓ Ｊ．Ｅ．氏による、２００５、温度変化の存在下の拡散超音波による構造健全性監視の方法論、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｖ．４３、ｐｐ．７１７〜７３１に記載されている。
これらの技術は、当技術分野において既知であるように算出結果が所望の精度を有するように選択することができる。この監視信号の前処理はステップ８２５で行われる。ステップ８２５において監視信号の前処理が行われると、ステップ８３０において減算が行われる。
ステップ８３５において、図１１に示すトランスデューサー１１０のアレイ１０５を参照してここで説明するように、プロセッサ１２０によって差分信号に閾値処理操作が行われる。見て分かるように、アレイ１０５は図４Ｃに示すアレイ１０５Ｃに対応する。したがって、３つの受信トランスデューサー１１０Ｒは相互に６０度の角度で構造物１０に表面接合されて正三角形を形成し、送信トランスデューサー１１０Ｔは中央に表面接合される。
上記アレイにより図９に示すような差分信号が生成されうる。３つの受信トランスデューサー１１０Ｒそれぞれから出る３つの差分信号を図９に示し、これらは０、６０、及び１２０の凡例で表示されている。ほとんどの場合、各監視信号内の反射事象は、異なる時間移動で各受信トランスデューサー１１０Ｒに到達し、これは図９に示すように差分信号に反映される。６０度をなす要素が構造物１０の損傷２０からの反射事象を検出した最初のものである。
図９の実施例は、数値計算から得られた差分信号を示す。したがって、監視信号の前処理が必要となる上述した現実的な問題はここでは当てはまらない。それにもかかわらず、損傷の位置確認は、基準信号と監視信号間の違いがごくわずかなために、いまだ潜在的に難しいところがある。
反射事象を特定するために、閾値レベルを超えるピークが選択される。閾値レベルの実施例を図９に示す。この閾値レベルは任意の好適な値となるように選択することができ、例えばサンプルデータを収集して、結果として得られた差分信号を検査して目で閾値レベルを選択することによって経験的に閾値レベルを選択することができる。
ステップ８４０において、閾値レベルを超える差分信号内のピークとして示す反射事象から異常を特定する。異常が見つからない場合、本方法はステップ８４５及び８９０を介してステップ８１０の開始点にループバックすることができる。
異常が特定されたと想定すると、本方法はステップ８５０に続き、ここで３つの受信トランスデューサー１１０Ｒそれぞれの差分信号において特定された各反射事象の飛行時間を取得する。ピークが最初に（図１０のｔ２で示される）閾値レベルを超えたときに推測できる明らかな飛行時間は、（図１０のｔ０で示される）ノイズによって通常隠された関連の波束の原点を考慮して有利に補正される。
適切な補正ｔ０は例えば補正法によって（反射波束が励起波束と類似すると想定することによって）決定することができる。飛行時間の補正が行われた後で、各受信トランスデューサー１１０Ｒの差分信号の時間移動は下記：
Figure 0005976330
 によって定義される。
次に、ステップ８６０において、各受信トランスデューサー１１０Ｒによって検出された波束が移動した距離が決定される。これらの距離を図１１に示す。送信トランスデューサー１１０Ｔによって生成された波束が異常２０まで移動し座標（ｘｐ、ｙｐ）のポイントＰで反射してその後３つの受信トランスデューサー１１０Ｒそれぞれに移動して戻るまでの距離Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は下記のように定義される。
Figure 0005976330
 ＲＡは図１１に示す送信距離であり、ＲＳ１、ＲＳ２及びＲＳ３は図１１に示す着信距離である。これらの距離は下記の関係にしたがってステップ８５０において得られた時間移動に関連する。
Figure 0005976330
 ｃｇは、波束の適切な伝播モードの群速度である。距離Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が得られれば、異常２０の箇所は下記のように決定することができる。
異常２０から反射する弾性波は円形であると想定する。したがって、異常２０（ｘｐ、ｙｐ）の位置における共通中心を有する３つの円は方程式（４）を使用して定義される。
Figure 0005976330
 （ｘＳ１、ｙＳ１）、（ｘＳ２、ｙＳ２）、（ｘＳ３、ｙＳ３）は、受信トランスデューサー１１０Ｒの中央の座標であり、（ｘｐ、ｙｐ）は異常２０の座標である。
方程式（２）を方程式（４）に代入すると下記方程式が得られる。
Figure 0005976330
 方程式（５）は、未知数がｘｐとｙｐの２つのみの、３つの非線形方程式のシステムを表す（他にも変数ＲＡがあるが、この変数は未知数、ｘｐ及びｙｐに依存する）。未知数よりもさらに多くの方程式があるため、システムは過剰決定される。
したがって、上記システムは全ての場合においてはっきりとした位置を提供できるわけではないが、２つのトランスデューサー１０５のみを有するトランスデューサー１１０のアレイ１０５を使用して異常２０の位置を提供することができることは明白であり、本発明は上記の配置構成を網羅する。しかしながら、異常の位置のはっきりとした決定ができるように、そして異常２０の箇所の決定の精度を上げる過剰決定システムを提供するために３つ以上のトランスデューサー１０５を使用することが好ましい。
最適化技術を使用して、過剰決定システムを解くことができる。例えば、過剰決定システムの最小二乗法は下記の汎関数を最小化することによって得ることができる。
Figure 0005976330
 （ｘｐ、ｙｐ）の解答、すなわち構造物１０内の異常２０の位置は数値的に得られ、この方法で特定される。
上述した方程式から分かるように、各トランスデューサー１１０は異なる方向に位置合わせする必要がない。したがって、この方法では、２つ以上のトランスデューサー１１０を整列させることができる、すなわちこれらの縦軸と横軸を平行になるように延在させることができる。
ここで、図８のステップ８６０によって異常２０の箇所が得られたところで、本方法はステップ８７０に続き、ステップ８７０で全ての異常が確実に処理されたかを確認する（そして、ループ８７５によりさらなる異常の処理が可能になる）。全ての異常が処理されると、本方法はステップ８８０に続き、ステップ８８０では、ステップ７８０で前述したように異常を報告する。本方法は次に、経路８９０を介して開始点までループバックすることができる。
構造健全性監視システム１００を操作する第２の方法をここで図１２〜１４を参照しながら説明する。この実施形態では、監視される構造物１０にトランスデューサー１１０の２つ以上のアレイ１０５が配設される。例えば、図３に示すようなトランスデューサー１１０の２つのアレイ１０５の配置構成を使用することができる。
図１２は操作方法を示し、図８に関してすでに説明したステップの多くを含む。本方法はステップ１２０５で開始し、次にステップ１２１０ａ、１２１５ａ、１２２０ａ、１２２５ａ、１２３０ａ、１２３５ａ及び１２４０ａを通って進む。これらのステップは図８のステップ８１０、８１５、８２９、８２５、８３０、８３５及び８４０に相当するため、ここでは再度簡単に要約するのみである。
ステップ１２１０ａでは、トランスデューサー１１０の第１アレイ１０５を使用して弾性波を励起する。監視信号はステップ１２４０ａにおいて取得し、前処理、差分処理及び閾値処理操作を行って異常２０を特定する。ステップ１２５５ａにおいて、特定された各異常２０を順繰りに取り上げて、第１アレイ１０５から異常２０への方向を決定する。この実施方法は図１３及び１４を参照しながら後に説明する。
異常２０と、トランスデューサーの第１アレイ１０５からの異常２０の方向が決定したところで、本方法はステップ１２１０ｂ〜１２５５ｂへ進む。これらのステップはステップ１２１０ａ〜１２５５ａの繰り返しであるが、トランスデューサー１１０の第２アレイ１０５に対して行われる。このように、異常２０が特定され、トランスデューサー１１０の第２アレイ１０５からの異常２０の方向が決定する。
点線の矢印１２５６で図示するように、本方法はステップ１２１０〜１２５５を、（特定された異常２０までの３つ以上の一連の距離データが得られるように）トランスデューサー１１０のさらなるアレイ１０５に対して繰り返すことができる。
トランスデューサー１１０の各アレイ１０５に対するステップ１２１０〜１２５５のそれぞれの繰り返しは図１２において連続的に行うように示されているが、一以上の繰り返しを重複する又は平行して行うことができる。例えば、ステップ１２１０ｂ（以下参照）はステップ１２２０ａが完了したら実行することができ、これにより弾性波の励起と監視信号の取得のステップはそれぞれの繰り返しにおいて連続的に行われるが、以前の繰り返しのデータ処理ステップと重複する。
矢印１２５８によって図示されるように２つのアレイ１０５を使用する、あるいは矢印１２５６によって図示されるように２つより多いアレイ１０５を使用するかのいずれかによって全てのデータが集まると、本方法はステップ１２６５に進み、ステップ１２６５では特定された各異常２０についてトランスデューサー１１０の各アレイ１０５によって取得された方向を使用して、これらの異常２０の箇所を決定する。このステップ１２６５は下にさらに詳しく説明するが、基本的に、特定された各異常２０までの一対の方向の交差によって決まる。
異常２０の箇所が決定すると、異常２０をステップ１２８０において報告する。このステップは図８のステップ８８０に相当するため、再度説明はしない。本方法は矢印１２９０で図示し、図８の対応する要素８９０を参照してすでに説明したように繰り返し行うことができる。
各異常２０への方向を決定するステップ１２５５を図１３を参照しながらここで説明する。
監視される構造物１０にはトランスデューサー１１０の２つのアレイ１０５Ａ、Ｂが配設されており、各アレイ１０５Ａ、Ｂは３つの受信トランスデューサー１１０ＡＲ１−３、１１０ＢＲ１−３及び送信トランスデューサー１１０ＡＴ及び１１０ＢＴを含む。異常２０を、異常２０から第１アレイ１０５Ａに向かって反射した弾性波４０とともに示す。
トランスデューサー１１０ＡＲ１を、トランスデューサー１１０ＡＲ１の歪み分布とともに縦横軸が図示されるように図１４に更に詳細に示す。送信トランスデューサー１１０ＡＴによって生成された弾性波は異常２０で跳ね返って、各受信トランスデューサー１１０ＡＲ１−３においてそれぞれ縦と横の歪み成分ε１及びε２を生成する。歪み成分ε１及びε２は下記のように定義される。
Figure 0005976330
 及び
Figure 0005976330
 △はトランスデューサー１１０ＡＲ１の縦軸と着信波４０の方向との間の角度、すなわち図１４のβ−αである。
受信トランスデューサー１１０ＡＲ１−３において生成された信号は
Figure 0005976330
 で計算することができ、感度因子Ｓ１及びＳ２はトランスデューサーの長さ及び弾性波長との関係、及び受信トランスデューサー１１０ＡＲ１−３の相対配向と弾性波の方向の衝突に依存する。下記式が成り立ち、
Figure 0005976330
 ここで横感度比ＫＴは下記方程式で定義され、
Figure 0005976330
 ｌ及びｂはそれぞれ受信トランスデューサー１１０ＡＲ１−３の長さ及び幅であり、ｋは波数であり、ｄ３１及びｄ３２は受信トランスデューサー１１０ＡＲ１−３の圧電定数であり、Ｅ１及びＥ２は縦方向及び横方向に沿ったヤング率である。
アレイ中央の単純歪み成分は、歪みゲージロゼット（Ｒ．Ｃ. Ｈｉｂｂｅｌｅｒ氏によるＭｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ、Ｉｎｃ．１９９７年発行を参照）に対して生成された古典的関係を使用して計算することができる。基準ｘｙ系に対してαによって回転するｘ’ｙ’座標系の歪み状態を決定する歪み変換方程式は下記の通りである。
Figure 0005976330
同様に、単純歪み成分は３つの受信トランスデューサー１１０ＡＲ１−３の応答から決定することができる。
Figure 0005976330
 ここで変換マトリックスは下記のように記述することができる。
Figure 0005976330
逆対称の弾性波面４０に対する垂直配向（弾性波の主歪み角度）は、歪みゲージ理論で知られる別の関係を使用して定義することができる。
Figure 0005976330
単一アレイ１０５において収集された信号は異常２０への方向βを決定するだけであり、その位置までは決定できないことを覚えられたい。したがって、一以上のさらなるアレイ１０５を使用して異常の正確な位置を見つける。異常の位置（ｙＤ、ｘＤ）は２つの線形代数方程式のシステム（Ｍａｔｔ Ｈ．Ｍ．及びＬａｎｚａ ｄｉ Ｓｃａｌｅａ Ｆ．氏による、２００７、「複合構造物の音響源の位置に関するマクロファイバー複合圧電ロゼット」、Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒ．Ｓｔｒｕｃｔ．、Ｖ．１６、ｐｐ．１４８９〜１４９９）を使用して計算することができる。
Figure 0005976330
Figure 0005976330
 ここで、ｘ１、ｙ１及びｘ２、ｙ２は送信トランスデューサー１１０ＡＴ及び１１０ＢＴの座標である。
２つ以上の異常２０を有する構成部品１０に図１２の方法が実施されるところでは、「偽の」異常が検出されうる可能性がある。これは本方法が、トランスデューサー１１０の各アレイ１０５から各異常への方向を決定するためである。したがって、各アレイ１０５に対しては、アレイ１０５から放射状に広がる多数の「方向」があり得る。アレイ１０５からの任意の一「方向」は別のアレイ１０５から放射状に広がる一よりも多い「方向」と交差する可能性があり、各「方向」の単一の交差点のみが異常２０であるのに対し、上述の方法は全ての交差点を異常２０として特定するためである。
飛行時間の測定値を使ってこれに対処することができる。例えば、全ての交差点の位置が決定したら、送信トランスデューサー１１０Ｔを使用して弾性波を送信し、受信トランスデューサー１１０Ｒによって反射を検出することができる。受信信号において異常２０を検出し、飛行時間を決定することができる。これらを次に特定された交差点と比較して飛行時間の測定値が一致しない交差点は「偽の」異常として切り捨てることができる。
図８及び１２の方法は両方とも良好な結果をもたらす。方法の選択に関する決定は構造物１０上で利用可能な空間、構造物１０の種類及び利用可能な予算等の要因に依存する。
３つの無方向性圧電素子（例えばディスク）でできたトランスデューサーは、上述したような飛行時間法を使用して例えばアルミニウム外板パネル等の単純な構造物の損傷を検出し場所を特定するのに十分である。より複雑な実行形態、例えば一連の少なくとも２つのアレイ１０５は、例えば重要な構造減衰を有する湾曲した炭素複合パネル等の複雑な構造物１０により良く機能しうる。
測定値の精度は中でもトランスデューサーの製造精度に依存する。方程式１３及び１４を簡単に考察すると、図１２の方法で使用されたアレイ１０５は並列の受信トランスデューサー１１０Ｒを含むべきでないことが分かる。いかなる並列性も特異変換マトリックスＴ（方程式１４参照）につながる。これが当てはまらず、受信トランスデューサー１１０Ｒはそれぞれ異なる角度で取り付けられていると想定すると、受信トランスデューサーの相対配向及び幾何学的配置における可能な散在性は幾何学的配置が分かっている限り大した問題とならない。
図１５に、構造健全性監視システム１００が装着された航空機５０を示す。構造健全性監視システム１００は、航空機５０全体に位置づけされる一以上の、及び/又は少なくとも３つのトランスデューサー１１０の幾つかのアレイ１０５を含む。トランスデューサー１１０のアレイ１０５は、１０５５２で示すような翼５２を含む構造物１０上に、１０５５４で示すような機体５４上に、及び１０５５６で示すような尾部５６上に配設される。
各アレイ１０５は関連構造物１０内の異常を特定するのに使用される信号を提供する。アレイ１０５、アレイ１０５の群を全て操作する中央プロセッサ１２０を配設することができる、又は各アレイ１０５は専用プロセッサ１２０を有することができる。
当業者は、添付の請求項によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、上述した実施形態に対して修正を行うことができることを理解するだろう。
例えば、図４Ａ〜４Ｄはトランスデューサーの４つの例示配置構成を示す。多数の異なる配置構成が可能であり、３つの受信トランスデューサー１１０Ｒの縦軸及び横軸は整列していてもよく、整列していなくてもよい。加えて、アレイ１０５における多数のトランスデューサー１１０は１から任意の数まで変更することができる。トランスデューサー１１０は等間隔に配置する及び/又は相互に対して回転させて規則的なパターンにすることができるが、不規則な配置構成ではトランスデューサー１１０が等間隔に配置されていない、及び/又は相互に対して回転していない。
単独の送信トランスデューサー１１０Ｔを配設する必要はなく、一以上の受信トランスデューサー１１０Ｒを使用して構造物１０に弾性波を発信することができる。さらに、２つ以上の単独の送信トランスデューサー１１０Ｔを使用することができる。
本発明はまた、下記の実施形態にも関する。
１． 構造健全性監視システムを使用して構造物内の損傷を評価する方法は、構造物と動作可能に接触するように配置された少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触するように配置された送信機を含み、この方法は：
送信機を使用して、構造物を通る弾性波を伝播し；
少なくとも３つの受信機から監視信号を収集して、構造物内の少なくとも一つの異常からの弾性波の反射を監視し；
監視信号を解析して少なくとも一つの異常を特定する
ことを含む。
２．監視信号を解析するステップが差分操作を実施することを含み、これにより少なくとも３つの受信機の各受信機について、その受信機によって収集された監視信号から基準信号を減算し、この結果得られた差分信号を使用して構造物内の少なくとも一つの異常を特定する、実施形態１の方法。
３．任意に、構造物が実利用に対して準備ができているとみなされた後で、少なくとも３つの受信機の各受信機に対して、構造物から基準信号を収集することを含む、実施形態２の方法。
４．監視信号を解析して少なくとも一つの異常を特定するステップが、少なくとも３つの受信機の各受信機によって受信した反射の飛行時間を計算することを含む、前述したいずれかの実施形態の方法。
５．監視信号を解析するステップが、計算した飛行時間から対応距離を計算することを含み、少なくとも一つの異常の位置は計算した距離から決定される、実施形態４の方法。
６．少なくとも一つの異常の位置を決定するステップが、計算した距離と、送信機、及び一以上の少なくとも３つの受信機の既知の位置から位置を特定することを含む、実施形態５の方法。
７．構造物と動作可能に接触するように配置された少なくとも３つの受信機、及び構造物と動作可能に接触するように配置された送信機の第１アレイと、構造物と動作可能に接触するように配置された少なくとも３つの受信機、及び構造物と動作可能に接触するように配置された送信機の第２アレイを含み、第１及び第２アレイが間隔を置いて配置されている構造健全性監視システムを使用して構造物内の損傷を評価する方法は：
第１アレイの送信機を使用して、構造物を通る弾性波を伝播させ；
第１アレイの少なくとも３つの受信機から監視信号を収集して、構造物内の少なくとも一つの異常から弾性波の反射を監視し；
第２アレイの送信機を使用して、構造物を通る弾性波を伝播させ；
第２アレイの少なくとも３つの受信機から監視信号を収集して、構造物内の少なくとも一つの異常から弾性波の反射を監視し；
監視信号を解析して少なくとも一つの異常を特定し、第１及び第２アレイのそれぞれから少なくとも一つの異常への方向を決定する
ことを含む。
８．第１及び第２アレイのそれぞれから異常への方向を、構造物上のアレイの既知の箇所と組み合わせて使用して、構造物内の異常の箇所を決定することをさらに含む、実施形態７の方法。
９．監視信号を解析するステップが差分操作を実施することを含み、これにより、各受信機について、その受信機によって収集された監視信号から基準信号を減算し、この結果得られた差分信号を使用して構造物内の少なくとも一つの異常を特定する、実施形態７又は実施形態８の方法。
１０．任意に、構造物が実利用に対して準備ができているとみなされた後で、各受信機について基準信号を構造物から収集することを含む、実施形態９の方法。
１１．第１及び第２アレイのそれぞれにおいて、各受信機は縦軸及び横軸を有する圧電トランスデューサーであり、受信機は、２つの受信機の縦軸が整列しないように配置される、実施形態７〜１０のいずれかの方法。
１２．各受信機について、監視信号を解析して、各アレイ内の受信機の既知の配向と組み合わせて使用される縦歪み成分及び横歪み成分を決定して、異常の方向を決定する、実施形態１１の方法。
１３．構造物を通る弾性波を励起するように配置された送信機と、構造物内の一以上の異常からの弾性波の反射を含む監視信号を収集するように配置された少なくとも３つの受信機と、実施形態１〜６のいずれかの方法を実行するように構成されたコントローラを含む構造健全性監視システム。
１４．構造物を通る弾性波を励起するように配置された送信機、及び構造物内の一以上の異常からの弾性波の反射を含む監視信号を収集するように配置された少なくとも３つの受信機を含む第１アレイと、構造物を通る弾性波を励起するように配置された送信機、及び構造物内の一以上の異常からの弾性波の反射を含む監視信号を収集するように配置された少なくとも３つの受信機を含む第２アレイと、実施形態７〜１２のいずれかの方法を実行するように構成されたコントローラを含む構造健全性監視システム。
１５．構造物を監視する構造健全性監視システムであって：
構造物と動作可能に接触している少なくとも３つの受信機と；
構造物と動作可能に接触している送信機であって、構造物を通って伝播する弾性波を励起するように構成されている送信機と；
受信機と動作可能に結合して、少なくとも３つの受信機それぞれから監視信号を収集するプロセッサであって、監視信号を解析して構造物内の少なくとも一つの異常を特定するように構成されたプロセッサ
を含むシステム。
１６．構造物を監視する構造健全性監視システムであって：
構造物と動作可能に接触している少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触している送信機を含む第１アレイと、
構造物と動作可能に接触している少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触している送信機を含む第２アレイ
を含み、
第２アレイが、第１アレイから間隔を置いて配置されており、
第１アレイの送信機は構造物を通って伝播する弾性波を励起するように構成されており、プロセッサは第１アレイの受信機と動作可能に結合して少なくとも３つの受信機のそれぞれから監視信号を収集し、
第２アレイの送信機は構造物を通って伝播する弾性波を励起するように構成されており、プロセッサは第２アレイの受信機と動作可能に結合して少なくとも３つの受信機のそれぞれから監視信号を収集し、
プロセッサが、監視信号を解析して構造物内の少なくとも一つの異常を特定し、第１及び第２アレイのそれぞれから少なくとも一つの異常への方向を決定するように構成されているシステム。
１０ 構造物
２０ 損傷部位
３０ 弾性波の一部
４０ 弾性波の一部
５０ 航空機
５２ 翼
５４ 機体
５６ 尾部
１００ 構造健全性監視システム
１０５ トランスデューサーのアレイ
１０５５２ 翼を含む構造物上のトランスデューサーのアレイの配設箇所
１０５５４ 機体を含む構造物上のトランスデューサーのアレイの配設箇所
１０５５６ 尾部を含む構造物上のトランスデューサーのアレイの配設箇所
１０５Ａ トランスデューサーのアレイの配置構成
１０５Ｂ トランスデューサーのアレイの配置構成
１０５Ｃ トランスデューサーのアレイの配置構成
１０５Ｄ トランスデューサーのアレイの配置構成
１１０ＡＲ１ 受信トランスデューサー
１１０ＡＲ２ 受信トランスデューサー
１１０ＡＲ３ 受信トランスデューサー
１１０ＡＴ 送信トランスデューサー
１１０ＢＲ１ 受信トランスデューサー
１１０ＢＲ２ 受信トランスデューサー
１１０ＢＲ３ 受信トランスデューサー
１１０ＢＴ 送信トランスデューサー
１１０Ｔ 送信トランスデューサー
１１０Ｒ 受信トランスデューサー
１１０Ｒ１ 受信トランスデューサー
１１０Ｒ２ 受信トランスデューサー
１１０Ｒ３ 受信トランスデューサー
１２０ プロセッサ
１３０ データの接続部
１４０ データの接続部
５４０ 戻りループ
７４５ 経路
７７５ 戻りループ
７９０ 経路
８７５ ループ
８９０ 経路
α１ 受信トランスデューサーの縦軸とεＸ軸の間の角度
βＢ 受信トランスデューサーの縦軸と着信波の方向の間の角度
βＡ 着信波の方向とεＸ軸の間の角度
ε１ 縦歪み成分
ε２ 横歪み成分
εＸ ｘ軸
εＸ’ 着信波の方向
εｙ ｙ軸
ＲＡ 送信距離
ＲＳ1 着信距離
ＲＳ2 着信距離
ＲＳ3 着信距離
ｘＤ 異常の座標
ｙＤ 異常の座標
△１ 着信波の方向とεｙ軸の間の角度

Claims (4)

  1. 構造物と動作可能に接触するように配置された少なくとも３つの受信機、及び構造物と動作可能に接触するように配置された送信機の第１アレイであって、第１アレイの２つのトランスデューサーが平行に整列することはない、第１アレイと、構造物と動作可能に接触するように配置された少なくとも３つの受信機、及び構造物と動作可能に接触するように配置された送信機の第２アレイであって、第２アレイの２つのトランスデューサーが平行に整列することはない、第２アレイを含み、第１及び第２アレイが間隔を置いて配置されている構造健全性監視システムを使用して構造物内の損傷を評価する方法は：
    第１アレイの送信機を使用して、構造物を通る弾性波を伝播させ；
    第１アレイの少なくとも３つの受信機から監視信号を収集して、構造物内の少なくとも一つの異常から弾性波の反射を監視し；
    第２アレイの送信機を使用して、構造物を通る弾性波を伝播させ；
    第２アレイの少なくとも３つの受信機から監視信号を収集して、構造物内の少なくとも一つの異常から弾性波の反射を監視し；
    監視信号を解析して少なくとも一つの異常を特定し、第１及び第２アレイのそれぞれから少なくとも一つの異常への方向を決定する
    ことを含む方法。
  2. 第１及び第２アレイのそれぞれから異常への方向を、構造物上のアレイの既知の箇所と組み合わせて使用して、構造物内の異常の箇所を決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 監視信号を解析するステップが、差分操作を実施することを含み、これにより、各受信機について、その受信機によって収集された監視信号から基準信号を減算し、この結果得られた差分信号を使用して構造物内の少なくとも一つの異常を特定する、請求項２に記載の方法。
  4. 構造物を監視する構造健全性監視システムであって：
    構造物と動作可能に接触している少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触している送信機を含む第１アレイであって、第１アレイの２つのトランスデューサーが平行に整列することはない、第１アレイと、
    構造物と動作可能に接触している少なくとも３つの受信機と、構造物と動作可能に接触している送信機を含む第２アレイであって、第２アレイの２つのトランスデューサーが平行に整列することはない、第２アレイ
    を含み、
    第２アレイが、第１アレイから間隔を置いて配置されており、
    第１アレイの送信機は構造物を通って伝播する弾性波を励起するように構成されており、プロセッサは第１アレイの受信機と動作可能に結合して少なくとも３つの受信機のそれぞれから監視信号を収集し、
    第２アレイの送信機は構造物を通って伝播する弾性波を励起するように構成されており、プロセッサは第２アレイの受信機と動作可能に結合して少なくとも３つの受信機のそれぞれから監視信号を収集し、
    プロセッサが、監視信号を解析して構造物内の少なくとも一つの異常を特定し、第１及び第２アレイのそれぞれから少なくとも一つの異常への方向を決定するように構成されているシステム。
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