JP6549716B2 - 超音波信号変換器のための装置、方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、道路、橋、建造物などにおける固体材料の非破壊分析を可能にする、超音波信号放出および反射された超音波信号の受信に関する。

道路、橋などのような建造物について、材料自体、補強材などの内部構造、および傷や欠陥の撮像用のデータの収集のために、満足のいく検査方法および装置を促進することは、問題である。

パイプライン、コンテナ、鉄道線路などの設備の検査について、データを収集し、潜在的な弱点および欠陥をマッピングするために、解決策が促進されてきた。これらにとって一般的なことは、検査される材料の表面が滑らかであること、および、設備と変換器との結合接触が、機器と設備との間の連続水流、または、たとえば超音波データ収集の実行前の結合ゲルを用いた設備の準備によって構成され得ることである。

地下の撮像のために超音波信号放出および受信を使用して大型建造物を調査する場合、問題が生じる。なぜなら、利用可能なツールは、小領域のランダムサンプリングにより適しているためである。これらのツールが大型建造物に適用される場合、建設材料の完全なまたはほぼ１００％のカバレージの分析の生成のためのデータ収集が必要であれば、時間消費は非常に多くなるであろう。

別の問題は、材料の動的検査用の機器は典型的には、パイプ、鉄道線路などの検査用に作られており、その場合、建造物の表面は滑らかで平坦であり、また、機器は、建造物の物理的な形を介して建造物に沿って、つまり鉄道線路、パイプなどに沿って誘導されるため、テストされる建造物の表面は容易にマッピングされる、ということである。これらのタイプの機器をコンクリートまたは他の典型的な道路表面などに使用することは、テスト中の材料と機器との接触がないことに起因して、多数の誤った測定値を生成するであろう。たとえば、表面における突起、表面上の物体および障害物、または平坦でない表面に起因して、空気溜りが機器とテスト表面との間に生じ、それは、超音波信号がテスト材料へと伝わることを妨げる。

橋およびビルなどの大型建造物、テスト材料の、超音波検査手段を使用した、地下の完全なまたはほぼ１００％のカバレージの分析の生成のための超音波データ収集を提供する公知の解決策は、ない。テスト材料はたとえば、典型的にはテスト材料の表面の２〜１５ｃｍ下にあるコンクリートの埋込層に補強バーを有するコンクリートインフラストラクチャであり得る。それらは摩耗したり断裂したりしやすく、コンクリートおよび補強材の状態は、建造物の能力を決定している。コンクリートにおける未検出の弱いスポットが、建造物全体を崩壊させ、人々および不動産を傷つけるおそれがあるかもしれない。能力が制限された測定手法を使用する検査は時間がかかり、建設材料の完全なまたはほぼ１００％のカバレージの分析はしばしば非常に費用がかかり、多くの場合、それらは省略され、不十分な検査をもたらす。

より大型の建造物の検査は目視検査として行なわれることが多く、弱いスポットが視覚的に検出されれば、利用可能な機器の使用が使用される。その方法はしばしば、建造物自体からコアサンプルを取り、これをさらなるテストおよび評価のために研究所へ送ることを伴い、それは時間および資源を非常に必要とする。既存の超音波ホイールベースの方法および装置はしばしば、典型的にはマルチＭＨｚ範囲の高周波数信号放出および測定メカニズムに基づいている。高周波数信号検査メカニズムは、コンクリートおよび木材などの材料には適さない。

２５ｋＨｚ〜５００ｋＨｚというより低い周波数超音波ｋＨｚ範囲における既存の低周波数信号放出および測定メカニズムは、たとえば疑わしい弱いスポットに配置されるプローブを使用する定置型テスト装置に限定されており、次に、超音波信号を放出し、特定のスポットについて受信信号を受信し、格納／分析するテスト手順が行なわれる。次に、プローブは別のスポットに動かされ、プロセスが繰り返される。その方法は非常に時間がかかり、あらゆる実用的な意味において、完全なまたはほぼ１００％のカバレージでの大領域の検査を除外する。

地下建造物分析における問題は、建造物における垂直亀裂を検出することである。垂直亀裂からの反射のみに基づく測定は、もし検出されれば、さらに詳細なテストおよび時間のかかる分析を受けなければならない。

利用可能な技術を使用して大型建造物をテストするための唯一の実用的な代替案は、レーダーベースの解決策を使用することである。レーダー技術に基づくシステムおよび装置は大領域をカバーし得るが、低い解像度がこれらの技術についての未解決の問題を表わし、それらは、検出のために高解像度撮像を必要とする欠陥または進行中の欠陥の兆候を見つけるには適さない。これらのタイプの欠陥は、劣化し始めた補強材、コンクリート内の小さい空気溜りまたは亀裂、岩石、補強材、液体含有区分、建造物の湿ったまたは液体が飽和した構成要素、もしくは他の構成要素の後ろの影領域のためにレーダーから隠される領域によって表わされるかもしれない。

本発明は、平坦でない表面を有するテスト材料を含むテスト材料製の大型建造物の分析のための超音波信号の放出および受信、ならびに超音波データ収集のための装置を提供する。本発明は、さまざまな深さで分析する使用に好適であり、深さ範囲は、表面からテスト材料内に最大１５〜２０ｃｍ入ったところまでの範囲の層も含むが、他のさらなる埋込層を除外しない。受信データのＳ／Ｎ比に対する要件、変換器が放出した信号の周波数および強度、サンプリングのレートに依存して、テスト材料分析の深さ範囲は実質的に変わり得る。目標は、コンクリート建造物における欠陥のあるまたは劣化した補強材、木材建造物における隠れた分枝または腐食部分による弱いスポット、もしくはそのような建造物における他の欠陥のあるパラメータなどといった、建造物／テスト材料の地下における弱いスポットおよび欠陥の識別を可能にすることである。本発明は、コンクリートおよび木材などのテスト材料におけるより良好な性能のために、好ましくは２５ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、より好ましくは７５ｋＨｚ〜２２５ｋＨｚというより低い周波数超音波ｋＨｚ範囲における低周波数放出を利用する能力を用いて、超音波変換器技術を使用してデータの効率的な収集を提供する。

本発明はさらに、スチール、カーボンファイバー、ガラスファイバーなどのより高密度のテスト材料からの超音波データ収集のために、好ましくは０．５ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ、より好ましくは２ＭＨｚ〜６ＭＨｚ、さらに好ましくは４ＭＨｚ〜５ＭＨｚというマルチＭＨｚ範囲までのより高い周波数範囲における超音波信号の放出のために使用されてもよい。

この文書ではいくつかの周波数範囲が具体的に説明されたが、これは本発明を限定せず、他の周波数が容易に選択されてもよい。

本発明はさらに、反射信号の放出および受信のための超音波変換器を含むホイールを含む装置を提供し、ホイールは、タイヤトレッド方向／回転方向に配置された複数の円形区分を含み、各区分は、１つまたは一群の変換器に垂直に整列され、各区分は、独特のタイヤトレッド区分を含む。ホイールが回転運動中に障害物に遭遇した場合、障害物の影響は主として、障害物に接触するタイヤトレッド区分に影響し、他のすべての区分を影響されないままにする。

本発明の局面はこのため、乾式結合回転ホイールの概念を使用することにより、橋、ビルまたは他の建造物などの建造物／テスト材料の大領域をカバーするサンプリング／検査のための時間消費をより少なくするとともに、データ収集および分析から生じる画像解像度を向上させること、ならびに、サンプリングにおけるＳ／Ｎ比を向上させることを含み得る。他の建造物の例は、たとえば、飛行機の翼構造、もしくは、ＬＰＧ、ＬＮＧまたは液化化学ガスを大量に運ぶために設計されたガスタンカー／船などであり得る。この任務を達成するには、データを収集するレートを向上させ、さらに、データを収集するレートを測定値におけるＳ／Ｎ比を向上させるメカニズムと組合わせること、およびオプションで、絶対的位置付けまたは相対的位置付けまたはそれら双方のための特徴を提供し、収集したデータにこの情報を含めることが必要である。

本発明は、材料の表面がすなわち摩耗および断裂のために、または構造のために平坦ではない場合でさえ、材料の分析のための超音波信号放出および超音波データ収集における効率を向上させるために最適化される。

本発明はまた、建造物のどの部分が収集されたデータ／テストサンプルによってすでにカバーされているかを手動で記録することが不十分または不可能であろう、大型建造物の迅速で確実な調査のための方法およびシステムを提供する。このため、この発明は、テスト装置によってカバーされる建造物の部分を自動的に記録するためのシステムおよび方法を提示し、建造物／テスト材料のすべての部分からのデータ収集の効率的なカバレージをコストおよび時間効率のよい態様で保証する。

この発明は、添付された独立請求項によってさらに定義され、この発明のさらなる実施形態は、添付された関連付けられた従属請求項によって定義される。

この文書において、テスト材料は、鉱物、金属、またはポリマー、もしくはこれらの複合物といった、あらゆる固体材料を含むと理解されるものとする。これは、コンクリート、セラミックス、鉄、スチール、アルミニウム、木材、カーボンファイバー、ガラスファイバーなどを含むものの、それらに限定されない。

この文書において、超音波信号放出は、音波が伝播する媒体の圧縮および復元を含む発振によって伝わる、パルスを含むあらゆる音波の放出を含むと理解されるものとする。固体媒体については、音波は、長手方向の圧力波、横断せん断波、表面（レーリー）波などを含むもののそれらに限定されない、異なるモードを呈していてもよい。

この文書において、超音波データ収集は、前述の放出された超音波信号の反射または送信の検出および処理を含むと理解されるものとする。振幅、伝播時間、位相、および周波数成分を含むもののそれらに限定されない、信号の異なる特性が、収集され分析されてもよい。

この文書において、ＧＰＳは、全地球測位システム（Global Positioning System）を意味するものとする。

この文書において、絶対位置は、ＧＰＳまたはアンテナ三角測量などによって規定されるような地理的位置データを含むと理解されるものとする。

この文書において、相対位置データは、一定の予め規定された位置点に対する位置のあらゆる規定を含むと理解されるものとする。相対位置の説明は、最大で３次元における距離と、時間および体積といった他のパラメータとを含んでいてもよい。

この文書において、制御ロジックは、
− 変換器の制御、
− 変換器からデータを収集し、格納し、送信する、
− この発明のシステムの位置および運動方向の制御、
− テスト材料の区分上の予め規定された領域における実際の位置付け、
− 上述の事項のステータス通信および表示、
− 収集されたデータの処理および分析結果の生成、
のために使用される、遠隔の、および装置上のまたは手持ち式の、あらゆる計測およびコンピュータ手段を含むと理解されるものとする。

この文書において、トラック沿い（along track）は、この発明の装置の運動方向を意味するものとする。

この文書において、トラック横断（cross track）は、この発明の装置の動きに垂直な方向を意味するものとする。

この文書において、変換器または変換器アレイは、すべてのタイプの超音波変換器を意味し、制御ロジックおよび他の特徴を含む、既製品の、またはカスタマイズされた変換器モジュールも意味するものとする。

この文書において、補強材は、刊行物ではたとえば鉄筋、外装、補強バーなどと称されるのが見出され得る、構造の材料を強化するために使用されるすべてのタイプの材料を含むと理解されるものとする。コンクリートを強化するために、十分な引張強度を有する任意の材料が潜在的に使用され得る（ガラスファイバーおよび玄武岩繊維も一般的である）一方、スチールおよびコンクリートは同様の熱膨脹係数を有しており、スチールで補強されたコンクリート構造部材は、温度変化によって生じる２つの相互接続された材料の膨張差の結果、最小の応力を体験するであろう。

この文書において、膜およびタイヤトレッド区分は、ホイールタイヤの構造、また、シアーバンド（sheer band）およびトレッド、ならびにタイヤ支持物の他の構造／部分、またはトレッドおよびシアーバンドの一部を含むと理解されるものとする。

この文書において、結合流体は、流体を通される超音波送信用の整合するまたは必要とされる透過性特性を有するあらゆる流体を含むと理解されるものとする。多くの場合、水が使用されてもよい。

この発明の可能な実施形態の図として解釈されるべきであるものの、この発明の範囲のいかなる限定も表わさない添付図面において、この発明をさらに説明する。

ローラユニットの斜視図である。 垂直中心線を通って切断されたローラの断面図である。 対応する変換器と整列されたホイールの区分の一実施形態の側面図詳細である。 対応する変換器と整列されたホイールの区分の一実施形態の側面図詳細である。 ローラユニットの内部の斜視図である。 ローラユニットの内部の正面図である。 ローラユニットの正面図である。 ローラユニットの内部の底面図である。 部分的に透明なホイールタイヤ区分を有する２ローラユニットの斜視図である。 ２ローラユニットの上面図である。 手持ち式の３ローラユニットの側面図である。 手持ち式の３ローラユニットの底面図である。 手持ち式の３ローラユニットの上面図である。 手持ち式の３ローラユニットの上面正面斜視図である。 変換器の放出および受信アレイのトラック沿いジオメトリの例を示す図である。 放出および受信変換器のトラック横断ジオメトリの例を示す図である。 ２ローラが３つある移動キャリッジシステムの図である。 移動キャリッジについてのトラッキング経路シナリオの概要の図である。 矢印１７０によって示される１つの放出変換器および６つの受信変換器を 概説する一例の図である。

本発明は、テスト材料の分析のための超音波信号放出および反射信号の受信のための装置であり、装置は、ホイール構造内部に超音波変換器のアレイを含み、ホイール構造は、回転運動特徴を提供するために変換器アレイのまわりに可撓性のある適合可能なセグメント化されたタイヤを有し、タイヤは、テスト材料と回転接触するタイヤ材料と変換器との間に結合流体を提供する、変換器アレイのまわりの液体充填密閉筐体でもある。

本発明はさらに、テスト材料の非破壊分析のための超音波信号放出および反射信号の受信のための装置を提供する。装置は、別々のホイール構造内部に変換器の２つ以上のアレイを含み、ホイール構造は、回転運動特徴を提供するために変換器アレイのまわりに可撓性のある適合可能なセグメント化されたタイヤを有し、タイヤは、テスト材料と回転接触するタイヤ材料と変換器との間に結合媒体を提供する、変換器アレイのまわりの液体充填密閉筐体でもある。

本発明はさらに、この発明の装置を使用する、テスト材料の分析のための超音波信号放出および反射信号の受信のための方法を提供する。

本発明はさらに、この発明の装置を使用する、テスト材料の分析のための超音波信号放出および反射信号の受信のためのシステムを提供する。

本発明を図に例示する。
図１および図２に示すように、この発明の一実施形態の超音波装置１のホイール構造は、タイヤ１０の形をした筐体を提供する。

超音波装置は軸２を含み、軸２にはベース３が取付けられ、その上に変換器２０のアレイが配置される。

変換器２０は円筒形状の変換器として図示されているが、任意の形の変換器２０が使用可能であり、形状およびサイズは、変換器２０によって放出される信号の開口（aperture）の方向に関連する特定の特徴を提供してもよい。形状は、放出信号の特定の周波数範囲のために最適化されてもよい。

変換器２０のサイズおよび形はまた、それが、信号を放出するためにのみ、テスト材料からの反射信号を受信するためにのみ、またはそれら双方のために使用されることになっているかどうかに関連して、最適化された性能のためにカスタマイズされてもよい。

変換器２０の最適のサイズ、形および技術を見出すために、この発明の工業化段階が使用されるであろう。正面の輪郭は、円筒、矩形、正方形、楕円などを含み得るものの、それらによって限定されなくてもよい。一方、変換器表面（正面）の形状は、突出する球、凹、および凸、単一湾曲または二重湾曲、角錐などを含み得るものの、それらによって限定されなくてもよい。異なる形の組合せが選択されてもよい。

変換器２０の制御ロジック（図示せず）と、電源、機器、コンピュータなどの外部手段との接触のために、電力および信号伝達ケーブル４が提供されてもよい。ケーブルは、無線通信手段または取外し可能記憶媒体によって、完全にまたは部分的に置き換えられてもよい。

軸２は、封止ボールベアリングなどのベアリング５への周辺取付手段を提供し、ベアリング５はさらに、タイヤ／タイヤ区分１０用の取付けベース６を提供する。タイヤはタイヤ取付ベースに、封止する態様で、すなわち糊、チューブクランプ、溶接などで取付けられる。

タイヤ１０とベアリング５の外側部分とは、テスト材料１５上での装置の動きに対応して回転するであろう。一方、軸２、変換器ベース３、および変換器２０は、超音波信号放出およびテスト材料１５からの反射信号受信のために最適化された、テスト材料１５に対して一定の角度位置のままであろう。

テスト／検査される材料に対する超音波変換器の２つ以上の可能な角度および／または距離を提供するために、変換器アレイの位置および方向が、予め規定された複数の位置で設定されてもよい。ホイールの材料および形、テスト材料、ならびに変換器が放出のために使用されるか、受信のために使用されるか、またはそれら双方のために使用されるかに依存して、テスト材料に対する変換器の最適な位置および角度が設定されるであろう。位置および角度は、この発明の一実施形態では、動作中に予め設定された位置間および角度間で変更され、または交替されてもよい。

１つの使用シナリオでは、放出信号の角度がテスト材料に対して垂直であることを保証できることが有利であろう。従来技術から得られた追加のメカニズムを本発明と組合せて使用して、放出信号が常にテスト材料の表面に垂直であること、またはテスト材料の表面に対して予め規定された角度であることを保証してもよい。

そのような１つの従来技術手法は、変換器のアレイに対してテスト材料の位置が常に分かるように、テスト材料の表面に接触して保持されるバイアスセンサホイール（図示せず）を搭載することであってもよい。

他のシナリオでは、テスト材料の表面に対して変換器を規定された角度に傾けることが望ましいかもしれない。これは、上に規定されたような同様のメカニズム、または他のメカニズムによって達成されてもよい。

本発明のさまざまな実現化例は、受信信号データにリンクされ得る位置データを提供するであろう。位置データは、ＧＰＳや絶対位置を規定できる他の装置によって規定された絶対位置、および／または、分析される建造物のために特に規定された開始位置によって、あるいは規定された開始点からの測定／計算された動きによって規定された相対位置を含み得る。たとえば、これは、橋の南東の角を開始点にし、この発明のキャリッジに搭載されたトラッキングボール（図示せず）に、表面上での開始点からのあらゆる相対運動を測定させることであり得る。トラッキングボールからの、および既知の開始点からの入力は次に、受信超音波反射データから構成される結果分析に記載される各物体の絶対位置を規定するために使用されてもよい。トラッキングボールの代わりに、別の例は、レーザおよびジャイロ手法を使用して、既知の基準点までの距離および動きを測定するであろう。動きは、この発明のタイヤの実際の動きを感知することによっても測定可能である。この文書には、他の地理的／相対位置規定ツールも、明示的には述べられないものの包含される。

本発明の潜在的な有利な一局面は、同じテスト材料を数回検査できるということであり、ここで、各テストは異なる時に、たとえば５年ごと、毎年、毎月、または毎日、および他の間隔で行なわれる。位置データは分かっているため、以前の分析と全く同じ場所における変化を検出することが可能である。

タイヤ１０は、軸、変換器アレイベース、および変換器アレイのまわりに密閉筐体７を提供する。筐体は、水などの結合流体２６で部分的にまたは完全に充填される。結合流体は、テスト材料１５と接触しているタイヤ区分１１、２２、２４、２５と変換器２０との間の向上した信号送信を提供する。

平坦でない表面への前例のない結合は、ホイールの構造のために弾性材料を使用することによって達成され、ここで、表面地形への適合は、タイヤ区分１１、２２、２４自体の固有の弾性特性によって部分的に利用される。適合はまた、タイヤ区分１１、２２、２４の形状によってさらに強化されてもよい。形状は、円筒、矩形、正方形、角錐、円錐、突出および／または包囲する球、もしくは任意の他の形の突起、凹、および凸を含み得るものの、それらに限定されない。各タイヤ区分は、台形、矩形、三角形、およびアーチ形の連続的なまたは繰り返す形として設計されてもよく、もしくは、さらにはボタン／ラグベースタイヤが、放出および受信の信号性能を強化してもよい。信号の放出および受信が起こる場合にタイヤとテスト材料との接触を保証することが好ましい。異なる形状の組合せが選択されてもよい。

図２Ｃに示すように、弾性材料は、より硬い材料２５によって支持されてもよい。支持材料は、その外側の弾性結合材料２４、およびその内側の結合流体２６に整合する音響／透過性特性を有していてもよい。支持材料は、一種のプラスチックなどの一種のポリマー化合物であってもよいが、それに限定されなくてもよい。

平坦でない表面への結合のための別の方法は、図２Ｂに示すような膜解決策を使用することであってもよく、ここで、表面地形への適合は、タイヤトレッド区分１１およびシアーバンド２２で構成された膜１１、２２の後ろの結合流体２６の存在によって利用される。流体は加圧されてもよい。

双方の結合方法について、テスト材料１５と接触するタイヤトレッド区分１１、２４は、弾性材料であってもよい。タイヤトレッド区分１１、２４は、エラストマーまたはゴム状材料、たとえば一種のポリウレタンまたはニトリルゴム、もしくは他の合成または天然ゴム、もしくは弾性特性を有する他のタイプまたは化合物のポリマー材料であってもよいが、それらに限定されなくてもよい。

タイヤトレッド区分１１、２４において使用される材料、および支持材料２５は、ある周波数範囲を必要とするあるテスト材料と別の周波数範囲を必要とする別のテスト材料とでは使用する材料が異なるように、放出信号の周波数に依存する異なる特性によって変わり得る。タイヤトレッド区分１１、２４は、タイヤトレッド区分１１、２４の１つの区分１２が、変換器または複数の隣り合う変換器とテスト材料との間の直線上の接点２７で、テスト材料と接触して整列されるように、形成される。

タイヤトレッド区分１１、２４とテスト材料１５の表面との間の空気溜りが、潜在的に溜まった空気を絞り出すであろう形状によって、またはタイヤトレッド区分におけるトレッドパターンによって最小限に抑えられるか排除されるように、タイヤトレッド区分１１、２４の形は、区分１２の形状および個数の点で最適化される。

テスト材料１５の表面のでこぼこによる結合不良は、ホイールの区分１２の、ならびにタイヤトレッド区分１１、２４の形および弾性のセグメント化によって最小限に抑えられるであろう。

一実施形態では、タイヤ１０のタイヤトレッド区分１１は円形区分１２のアレイとして形成され、各区分１２は、タイヤ１０がテスト材料１５上で回転すると、タイヤトレッド区分１１の各々が、変換器とテスト材料との間の放出および／または受信された超音波信号用の天然の信号経路を任意の時点で含むホイール１の専用区分を提供するように、整列される。

先行技術と比較すると、本発明は、テスト材料の表面における平坦でないスポットの影響をはるかに被りにくい。なぜなら、小石などの障害物の上を走ることは、サンプリングデータの軽微な損失しか引き起こさず、たとえば、ホイールのうちの１／１２は、地下からの応答信号をまったくまたは若干しか受信しないためである。応答データにおける制限は、小石によって影響を受けるホイールの円形区分１２の個数に依存している。先行技術の機器は、同じ小石の例で比較すると、テスト範囲の完全なまたは大半の部分の誤ったサンプルを得るであろう。先行技術における劣化した信号応答についての主な事例は、機器膜とテスト表面との間の空気溜りの存在である。そのような先行技術の機器についての盲点は大きく、また、小石のサイズに依存するであろう。本発明では、タイヤトレッド区分の材料の可撓性に依存して、障害物の上を走ることのマイナスの影響をさらに減少させることができる。可撓性材料が選択されれば、障害物の上を走る場合にすべてのホイール区分についてテスト材料の表面との接触を維持することが可能となり得る。

ホイール１は、変換器のアレイが結合流体２６に完全に覆われることを保証するレベルまで、結合流体２６で少なくとも部分的に充填され、ここで、結合流体２６は、変換器とテスト材料との間の放出および／または受信された超音波信号用の天然の信号経路における、タイヤ区分の膜１１と対応する変換器との隙間も充填する。

上述のこの発明の超音波装置１は、図７〜８に示すようなフレーム７０に搭載されてもよい。これらの図は、この発明の２つのホイールが搭載手段７１によってどのようにブラケット／フレーム７０に搭載されるかを示す。信号伝達ケーブル７４は、フレーム７０を通って導かれる。

この発明の別の実施形態を、手持ち式フレーム１２０に搭載されたこの革新の３つのホイールを示す図９〜１２に示す。ここで、ハンドル１２１がフレーム１２０に搭載される。この発明の手持ち式装置は、この発明のホイール、もしくはたとえばコンピュータマウス装置（図示せず）または赤外線測定手段など（図示せず）といった他のメカニズムの回転運動によってテスト材料上での動きを登録することにより、受信信号を、予め規定された開始点から計算された位置情報とともに格納するために、動作されてもよい。

手持ち式装置は、エネルギー源、メモリ、制御ロジック、入出力制御ポート、ディスプレイおよびオーディオへの、搭載されたまたは取付け可能な、ケーブルを介した、誘導または無線の通信アクセスを有していてもよい。

表示灯１５０は、装置とテスト材料との接触ステータス、予め設定された信号パターンが受信された場合、または特定の位置における受信信号が有効ではない場合の警告ステータスを示すなどの目的のために、フレーム上に配置されてもよい。

表示灯は、たとえば、装置とテスト材料との間で接触がない場合には赤い光、接触が検出された場合には緑の光、というように色分けされてもよい。他の色およびスイッチングパターンが、異なる目的のために使用されてもよい。そのような１つの目的は、各ジョブの前に実行される自己テスト表示器として、というものであってもよい。また、たとえば、予め設定されたテストパターンおよび周波数に沿って変換器が信号を放出する場合に、既知の予想されたテスト結果を有する既知の表面を有する既知のテスト材料上を装置が回転され得る較正ルーチンにおいて、灯を使用することも可能である。予想された受信信号が検証されれば、装置は動作のためにクリアされる。検証された装置は、表示灯１５０によって表示される予め設定された光パターンによって識別されてもよい。

テスト結果の格納、較正、テストおよび評価のために、接続されたコンピュータも使用されてもよい。コンピュータは、ケーブル、無線通信によって、または記憶メモリ装置を介したデータの転送によって接続されてもよい。記憶メモリ装置は、装置における電子回路に取外し可能に搭載されてもよく、または、転送動作時にインターフェイスを介して接続可能であってもよい。

変換器のアレイは、異なるモードで使用されてもよい。２つの異なるモードを図１３および図１４に示す。他のモードが利用されてもよい。

図１３には、トラック沿い検査のためのモードが示される。変換器の１つのアレイ、たとえばこの発明の後続ホイールが、テスト材料の地下へ信号を放出するために使用され、変換器の１つのアレイ、たとえばこの発明の先導ホイールが、テスト材料に入り、それを通って伝わり、それから反射された放出信号を受信するための受信手段として使用される。

図１４には、トラック横断検査のためのモードが示される。これは、変換器の１つのアレイにおける複数の変換器を、超音波信号を放出するために割り当て、変換器の同じアレイの複数の変換器を、信号をテスト材料から反射された時に受信するために割り当てることによって達成される。１つの変換器が放出し、かつ受信してもよい。あるシナリオでは、変換器のアレイの周辺区分における変換器が、テスト材料の地下へ信号を放出し、変換器のアレイの中央区分における１つ以上の変換器が、反射信号を受信する。

受信のために、すなわち上述の手持ち式装置のために、変換器の２つ以上のアレイを使用することが可能である。変換器の後続アレイにおける変換器が放出する一方、変換器の２つの先導アレイが受信してもよく、またはさらには、変換器の１つ以上のアレイも放出する場合、変換器のすべてのアレイが変換器の受信アレイであるようにセットアップされてもよい。

上述の手持ち式の例のような変換器／ホイールの３つのアレイを含むシステムにおける有望な１つの構成は、変換器の中央アレイにおける変換器を超音波信号の放出のために使用し、変換器／ホイールの２つの外側アレイをテスト材料からの反射信号の受信のために使用することである。

上述のトラック横断ジオメトリを利用してこの発明の単一の超音波装置１を使用することも可能である。

変換器は、超音波信号および反射の放出または受信のみのために、ならびに放出および受信双方のために使用されてもよい。同じ超音波信号について放出兼受信変換器として機能する変換器（すなわち、その変換器は超音波信号を放出し、次にその信号の反射を待ち、次に反射信号を受信する）は、放出信号の経路における物体などまたは材料から反射を受信し、検出するだけであろう。物体が、変換器の下の小さい垂直亀裂である場合、反射信号は非常に弱く、検出するのが難しいかもしれない。本発明では、各変換器が超音波信号を放出または受信する、一組の変換器が、反射信号を測定するだけではなく、テスト材料を通って送信された信号も測定し、このため、反射の欠如、またはたとえば飛行時間回折を測定することができるであろう。これらのタイプの測定は、測定データにおいてより良好なＳ／Ｎ比を提供するであろう。そのような構成は、反射信号の脱落を検出できるであろう。たとえば、テスト材料における空気溜りによって信号が妨げられ、ひいては信号伝播がひどく妨げられた場合、受信変換器は、信号が予想通りに受信されないことを検出するであろう。次に、結論は、放出変換器と受信変換器との間には、亀裂、穴、非中継媒体などの妨害媒体がある、ということを示すかもしれない。

反射の脱落を検出する上述の追加の能力は、上述の図１４について説明されたように、この発明の単一ホイール変換器セットアップによって利用されてもよい。図１４で説明された特徴を、上述の図１３で変換器セットアップについて一例が説明された、変換器（ホイール）の２つ以上のアレイを使用する特徴と組合わせることにより、分析効果をさらに強化することが、この発明で達成されてもよい。亀裂、障害物および空気溜りに関連して、トラック沿いに配向された亀裂、空気溜り、障害物を、上述の図１４について説明されたようなトラック横断検査特徴を用いて検出し、または、トラックを横断して配向された亀裂、空気溜り、障害物を、図１３について説明されたようなトラック沿い検査特徴を用いて検出するために、異なる変換器セットアップがさらに最適化されてもよい。

この発明の一実施形態では、この発明は、船または翼（航空機、風力タービン）において使用されるようなサンドイッチ構造において剥離／空気溜りを見つけるために使用されてもよい。そのようなサンドイッチ構造は、異なる材料の多層から構成され得る。潜在的に異なる応答を有するすべてが、特定の周波数の相対超音波信号を特徴とする。本発明は、特定のサンドイッチ層界面が位置する、テスト材料の特定の深さでの応答を最適化する態様で制御され得る。たとえば、内部ガラスファイバー層と、外部ガラスファイバー層と、コアポリスチレン層とを含む３層構造において、最も内側のガラスファイバー層とコア材料との間の界面を調べてもよい。他の材料および他の個数の層が使用されてもよい。

実施形態の別の例は、外層が陶器、内層がコンクリートまたは木材で、それらの間におそらく防水膜構造がある浴室床などにおける、建築タイルの下の分離／空気溜りを検出するために、この発明を使用することである。

超音波データ収集として、個々の変換器の特徴を動的にシフトするより複雑なパターンが行なわれる、反射信号の放出および受信の制度を実行することによって、検出能力を最大化することも可能である。あるパターンは、各変換器が順に超音波信号の唯一の放出源として作用するようにし、すべてのホイール（２つ以上の場合）のすべての変換器が放出信号を受信するようにすることであろう。このように、運動方向に垂直な方向から放出変換器の両面に向かう多くの方向において地下をマッピングすることが可能である。矢印１７０によって示される１つの放出変換器および６つの受信変換器を概説する一例を、図１７に示す。ここでは、変換器の３つのアレイ２２１、２２２、２２３（ホイール）が使用される。１つの放出および１〜４８個（４８は限定ではなく、図１７で使用される個数である）の受信から、他のすべての組合せが使用されてもよい。他の変換器の組合せが使用されてもよい。

最終的なパターンは、すべての変換器が順に放出変換器になるようにし、すべての変換器が放出信号のすべての反射用の受信機として作用するようにすることである。このように、全方向に傾いた横向き、前向き、後ろ向きの全角度、および真下から、すべてのテスト材料をマッピングすることが可能である。この発明の装置の動きを別のパラメータとして使用して、テスト材料上を動く際にいくつかのそのような測定を行なうことが可能である。たとえば、コンクリートにおける空気溜りはその場合、多くの方向から数回、徹底的に調査され、「隠された」弱点が見逃されないであろう。

使用される変換器のアレイまたはホイールのサイズに制限はない。
実行制度の例は、異なるビーム形成手法を含み得るものの、それに限定されない。実行制度の一例は、ＳＡＦＴ（Synthetic Aperture Focusing Technique：開口合成法）であってもよい。

より多くの検出データが収集されるにつれて、データが分析される際に分析プロセスにおいてより良好なＳ／Ｎ比を達成することが可能になるであろう。

テスト材料から受信されたデータの分析は、テスト材料の表面下のさまざまな深さで、典型的にはテスト材料の表面の０〜１５ｃｍ下で、テスト材料の詳細な２Ｄおよび／または３Ｄ画像の集計を提供し得る。

図１５は、大量のテスト材料の検査のためのシステムを提供するために、この発明の超音波装置１の３つの対が組合わされたシステムを示す。ホイールの各対は個々のブラケット７０に搭載され、３つのブラケットがキャリッジ２００に搭載される。キャリッジはさらに、計算／制御手段２０４と、レーザ測定装置２０２と、表示部２０１とを含む。各ホイールの各区分１２が個々に表面に適合しているため、ホイールの各対は個々に表面に適合している。

図１５における装置、またはこの発明の装置の任意の変形は、エネルギー源、データ格納、制御ロジック、入出力制御ポート、ディスプレイおよびオーディオへの、搭載されたまたは取付け可能な、ケーブルを介した、誘導または無線の通信アクセスを有していてもよい。

上述の手持ち式装置について説明されたような表示灯（図１５に図示せず）が、このシステムに、およびこの発明の実施形態のすべてのバージョンに、上に説明されたのと同じ目的のために含まれてもよい。

キャリッジは、キャリッジを駆動するための手段、たとえば電気モータ（図示せず）、リモートコントローラ特徴を含んでいてもよく、さらに、エネルギー源と、キャリッジを手動で押し、および／または操縦するためのハンドル２０５と、外部制御部（図示せず）との無線通信のための手段とを含んでいてもよい。

制御部は、図１６に示すようにテスト材料の全セグメントをカバーするようにキャリッジを誘導するために、予めプログラミングされてもよい。ここで、実例は、キャリッジ位置２００と、運動方向２１１と、検査された領域２１２、２１３、２１４と、まだ検査されていない領域２１５とを示す。以前の検査トラック２１２と、現在の検査トラック２１３と、以前の検査トラック２１２に対する現在の検査トラック２１３の重複２１４とを区別することも可能であり得る。

受信データおよびこの分析結果を、以前に行なわれた対応する検査と比較することにより、テスト材料の地下における変化を検出することが可能である。たとえば、コンクリートの橋における補強バーの劣化を追跡し、劣化の初期段階で是正措置を開始することが可能であり得る。

レーザユニットは、テスト材料上のキャリッジ位置を規定するために、距離の測定用に使用されてもよい。

別の実施形態の例は、ペンキを塗られた鉄骨構造をサンプリングするために本発明の装置を使用することである。本発明は、鉄骨構造の表面に固定されたペンキまたは他の保護層を除去する必要なく、データ分析を可能にする反射された超音波信号のサンプルを収集して、前例のない態様で亀裂および欠陥を発見することができる。

ここで説明の一部として含まれる、優先権出願からの旧請求項：
１．超音波信号の放出および受信のための装置であって、前記装置はホイール（１）として形成され、前記ホイール（１）はさらに、
軸（２）に取付けられたベース（３）上に配置された変換器（２０）のアレイと、
前記変換器（２０）のアレイのまわりに密閉筐体（７）を提供するタイヤ区分（１０）とを含み、前記タイヤ区分は、タイヤトレッド区分（１１、２２、２４、２５）を含む複数の円形突出区分（１２）を含み、前記ホイール（１）はさらに、
前記変換器のアレイとテスト材料（１５）に対する前記タイヤトレッド区分（１１、２４）の接触点（２７）との間に音響透過性を提供する、前記密閉筐体（７）内の結合流体（２６）を含む、装置。

２．前記タイヤトレッド区分（１１、２２、２４、２５）は、弾性材料で作られる、請求項１に記載の装置。

３．前記軸（２）の両方の周端に配置された、ベアリング手段（５）用の取付手段（８）と、
前記取付手段（８）に取付けられたベアリング手段（５）と、
前記テスト材料（１５）との回転接触のための前記ホイール（１）の回転能力を提供するために、前記ベアリング手段（５）上に設けられた取付けベース（６）に取付けられた前記タイヤ区分（１０）とをさらに含む、請求項１に記載の装置。

４．前記タイヤトレッド区分（１１、２２）は円形区分で形成され、各区分は１つ以上の変換器（２０）にまたがって整列され、前記タイヤトレッド区分（１１、２２）は、前記変換器（２０）に向かって面する前記タイヤトレッド区分の内側で、前記結合流体（２６）と直接接触している、請求項１に記載の装置。

５．前記タイヤトレッド区分（２４、２５）は、前記結合流体（２６）との接触表面を提供する第１の側と、結合材料（２４）が取付けられる表面を提供する第２の側とを有する支持材料（２５）を含み、前記結合材料（２４）は、タイヤ１０の円形区分を形成する、請求項１に記載の装置。

６．前記軸（２）の周端は、前記装置をフレーム（７０、１２０）に取付けるための取付手段（７１）を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。

７．変換器モジュールを電源に接続するために、電気ケーブル（７４）が設けられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。

８．前記変換器（２０）を制御ロジックに接続するために、電気ケーブル（７４）が設けられる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。

９．前記装置は、制御データおよび受信信号データの無線送信のための手段を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。

１０．前記変換器（２０）のアレイは、前記テスト材料（１５）に対する前記変換器（２０）のアレイの角度および／または距離を変更するために、前記ベース（３）または前記軸（２）への調節可能な取付手段を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。

１１．超音波信号放出およびテスト材料（１５）からの反射された超音波信号の受信のための装置であって、前記装置は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載されたようなホイール（１）を２つ以上含み、前記ホイール（１）はフレーム（７０、１２０）に取付けられる、装置。

１２．前記変換器（２０）のアレイの各々における個々の変換器（２０）は、放出変換器として、または受信変換器として、または放出兼受信変換器として作用する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。

１３．超音波信号放出および超音波信号の受信のためのシステムであって、前記システムは、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置／ホイールを１つまたは複数含み、前記システムはさらに、前記１つまたは複数のホイール（１）が搭載されるキャリッジ（１２０、２００）を含み、前記システムはさらに、
テスト材料（１５）の表面上の経路（２１１）に沿って前記キャリッジを操縦するための制御メカニズムと、
前記キャリッジ、前記変換器、ならびにデータの格納および通信を制御するための制御ロジック（２０４）とを含む、システム。

１４．前記システムは、絶対位置を提供するためのナビゲーション手段（２０２）をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。

１５．前記システムは、表示手段（１５０、２０１）をさらに含む、請求項１３または１４に記載のシステム。

１６．前記システムは、相対位置を提供するためのトラッキング手段をさらに含む、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のシステム。

１７．前記キャリッジを操縦するための前記制御メカニズムは、手動誘導のためのハンドル（１２１、２０５）、または、前記キャリッジを動かすための駆動手段に接続された遠隔制御モータである、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のシステム。

１８．前記システムは、受信された超音波信号データを受信するための、および前記データを処理するためのコンピュータ手段をさらに含む、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載のシステム。

１９．前記コンピュータ手段は、リモートコンピュータ手段である、請求項１８に記載のシステム。

２０．テスト材料（１５）の分析を可能にするための超音波信号の放出および受信のための方法であって、前記方法は、
請求項１３〜１９のいずれか１項に記載のシステムを１つまたは複数提供するステップを含み、前記方法は、
変換器（２０）から超音波信号を放出するステップと、
放出された前記超音波信号の前記テスト材料（１５）からの反射を、１つまたは複数の変換器（２０）で受信するステップと、
受信された前記超音波信号を格納してコンピュータ手段に転送し、受信された前記超音波信号を分析するステップとを含む、方法。

２１．前記方法は、
予め規定された経路（２１１）に沿って前記キャリッジ（１２０、２００）を動かすステップと、
予め規定された放出パターンに従って、個々の変換器（２０）から超音波信号を放出するステップと、
放出された個々の前記超音波信号用の受信変換器であるように構成された１つまたは複数の変換器で、前記テスト材料（１５）からの反射された前記超音波信号を受信するステップとをさらに含む、請求項２０に記載の方法。

２２．前記方法は、テスト材料の区分の分析の結果を、前記テスト材料の同じ区分の以前の分析と比較し、前記テスト材料における変化を識別することをさらに含む、請求項２０または２１に記載の方法。

Claims (21)

1. 超音波信号の放出および受信のための変換器装置であって、前記装置はホイール（１）として形成され、
   前記変換器装置は、前記ホイール（１）がさらに、
   軸（２）に取付けられたベース（３）上に配置された変換器（２０）のアレイと、
   前記変換器（２０）のアレイのまわりに密閉筐体（７）を提供するタイヤ区分（１０）とを含み、前記タイヤ区分は、タイヤトレッド区分（１１、２２、２４、２５）を含む複数の円形突出区分（１２）を含み、前記ホイール（１）はさらに、
   前記変換器のアレイとテスト材料（１５）に対する前記タイヤトレッド区分（１１、２４）の接触点（２７）との間に音響透過性を提供する、前記密閉筐体（７）内の結合流体（２６）を含むことを特徴とし、
   前記タイヤトレッド区分（１１、２２、２４、２５）は、弾性材料で作られる、変換器装置。
2. 前記軸（２）の両方の周端に配置された、ベアリング手段（５）用の取付手段（８）と、
   前記取付手段（８）に取付けられたベアリング手段（５）と、
   前記テスト材料（１５）との回転接触のための前記ホイール（１）の回転能力を提供するために、前記ベアリング手段（５）上に設けられた取付けベース（６）に取付けられた前記タイヤ区分（１０）とをさらに含む、請求項１に記載の変換器装置。
3. 前記タイヤトレッド区分（１１、２２）は円形区分で形成され、各区分は１つ以上の変換器（２０）にまたがって整列され、前記タイヤトレッド区分（１１、２２）は、前記変換器（２０）に向かって面する前記タイヤトレッド区分の内側で、前記結合流体（２６）と直接接触している、請求項１に記載の変換器装置。
4. 前記タイヤトレッド区分（２４、２５）は、前記結合流体（２６）との接触表面を提供する第１の側と、結合材料（２４）が取付けられる表面を提供する第２の側とを有する支持材料（２５）を含み、前記結合材料（２４）は、タイヤ１０の円形区分を形成する、請求項１に記載の変換器装置。
5. 前記軸（２）の周端は、前記装置をフレーム（７０、１２０）に取付けるための取付手段（７１）を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の変換器装置。
6. 前記変換器（２０）のアレイを電源に接続するために、電気ケーブル（７４）が設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の変換器装置。
7. 前記変換器（２０）を制御ロジックに接続するために、電気ケーブル（７４）が設けられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の変換器装置。
8. 前記装置は、制御データおよび受信信号データの無線送信のための手段を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の変換器装置。
9. 前記変換器（２０）のアレイは、前記テスト材料（１５）に対する前記変換器（２０）のアレイの角度および／または距離を変更するために、前記ベース（３）または前記軸（２）への調節可能な取付手段を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の変換器装置。
10. 前記変換器（２０）のアレイの各々における個々の変換器（２０）は、放出変換器として、または受信変換器として、または放出兼受信変換器として作用する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の変換器装置。
11. 超音波信号放出およびテスト材料（１５）からの反射された超音波信号の受信のための変換器キャリッジ装置であって、前記装置は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載されたような変換器装置（１）を２つ以上含み、ホイール（１）はフレーム（７０、１２０）に取付けられる、変換器キャリッジ装置。
12. 超音波信号放出および超音波信号の受信のためのシステムであって、
    前記システムは、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変換器装置を１つまたは複数含み、前記システムはさらに、１つまたは複数のホイール（１）が搭載されるキャリッジ（１２０、２００）を含み、前記システムはさらに、
    テスト材料（１５）の表面上の経路（２１１）に沿って前記キャリッジを操縦するための制御メカニズムと、
    前記キャリッジ、前記変換器、ならびに前記変換器によって受信されたデータの格納および送信を制御するための制御ロジック（２０４）とを含むことを特徴とする、システム。
13. 前記システムは、絶対位置を提供するためのナビゲーション手段（２０２）をさらに含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記システムは、表示手段（１５０、２０１）をさらに含む、請求項１２または１３に記載のシステム。
15. 前記システムは、相対位置を提供するためのトラッキング手段をさらに含む、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記キャリッジを操縦するための前記制御メカニズムは、手動誘導のためのハンドル（１２１、２０５）、または、前記キャリッジを動かすための駆動手段に接続された遠隔制御モータである、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
17. 前記システムは、受信された超音波信号データを受信するための、および前記データを処理するためのコンピュータ手段をさらに含む、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
18. 前記コンピュータ手段は、リモートコンピュータ手段である、請求項１７に記載のシステム。
19. テスト材料（１５）の分析を可能にするための超音波信号の放出および受信のための方法であって、
    前記方法は、
    請求項１２〜１８のいずれか１項に記載のシステムを１つまたは複数提供するステップを含み、前記方法は、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変換器（２０）のアレイのうちの少なくとも１つの変換器から超音波信号を放出するステップと、
    放出された前記超音波信号の前記テスト材料（１５）からの反射を、前記変換器（２０）のアレイのうちの１つまたは複数の変換器で受信するステップと、
    受信された前記超音波信号を格納してコンピュータ手段に転送し、受信された前記超音波信号を分析するステップとを含むことを特徴とする、方法。
20. 前記方法は、
    予め規定された経路（２１１）に沿って前記キャリッジ（１２０、２００）を動かすステップと、
    予め規定された放出パターンに従って、前記変換器（２０）のアレイのうちの個々の変換器から超音波信号を放出するステップと、
    放出された個々の前記超音波信号用の受信変換器であるように構成された前記変換器（２０）のアレイのうちの１つまたは複数の変換器で、前記テスト材料（１５）からの反射された前記超音波信号を受信するステップとをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記方法は、テスト材料の区分の分析の結果を、前記テスト材料の同じ区分の以前の分析と比較し、前記テスト材料における変化を識別することをさらに含む、請求項１９または２０に記載の方法。