JPH05504840A - 共振超音波分光学 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波学に関する。さらに詳しくは、要素の超音波共振応答に関する。

本発明についてはエネルギー省とのあいだに契約がなされている（契約番号Ｗ− ７４０５−ＥＮＧ−３６）。

多様な材料や要素の特性を決定するばあいに、超音波学が広く応用されている。

１つの応用は、超音波の伝達を検出することにより、要素内部に存在する異常（ ｔｎｏｍｌｌｉｅｓ　）を見つけることができる。他の応用は、要素の厚さを、 送受信変換器（１＋ｚｎ＋ｍ１ｆｔｅ＋／＋ｃｃＣｉｖｅ＋　ｌ＋ｘｎ＋ｄａｃ ｅｔ　）の近傍に配置された当該要素の１部分の共振応答から決定することがで きるということである。これらの応用は一般的に、測定される要素の一部分にき わめて近接した、変換器の平坦面へのアクセスを必要とする。さらに別の応用は モデル分析を含んでおり、このモデル分析においては、要素の音響共振が励起さ れ、その応答振幅が測定されて、要素の破損が予測される。これらの応用は全て 、検出された応答の振幅に依存しており、そしてこの振幅は、温度、変換器の正 確な位置、音響カップリングおよびその他の変化に依存している。

共振超音波分光学は、固体材料のさまざまな特性、とくに弾性定数を測定するの に使用されてきた。この応用は、米国特許出願Ｎｏ、　４０６００７号明細書゛ 共振超音波分光計（Ｒｅｒａｎｘｎｌ　ＵｌｌｔＪＩｏｎｎｄ　５ｐｓｃｆ＋ｏ ｍｅｌｓ＋）　”において述べられており、該明細書は、本明細書において参考 文献として参照されている。材料の弾性体定数の計算に使用するために、小さな 平行六面体の試験片の共振超音波スペクトルが測定される。

音波を適用するに際し平坦な表面を必要とせず、送受信変換器の配置に関係なく 再現可能な結果をつることができ、かつ制御が困難である温度、カップリングお よび他の変化に対して比較的鈍感な超音波による検査方法が望ましい。これらの 問題は本発明によって処理され、物体に固有の特性を与える（　ｃｈｓｒｉｃ＋ ！＋１ｅ）ための共振超音波分光写真術が提供される。

したがって本発明の目的は、超音波変換器の配置に依存しない、物体に固有の共 振信号を提供することである。

本発明の他の目的は、音波の導入および受入のために平坦表面を必要としない、 超音波による検査方法を提供することである。

本発明の別の目的は、温度や音響カップリングなどの制御できない変化に対して 比較的鈍感な音波信号を提供することである。

本発明のさらに別の目的、利点および新規な特徴の一部を以下に述べるが、残り の部分は、当業者にとっては以下の試験により明白であろうし、また本発明を実 施することにより理解できるであろう。本発明の目的と利点は、それぞれが添付 の請求の範囲に示されている手段および組み合わせによって実現し、達成される であろう。

発明の概要 前述の目的および他の目的を達成するために、そして本発明の目的にしたがって 、ここに具体化され広く論じられているように、本発明の方法は、共振超音波分 光学により物体に特性を付与すること（ｃｈｘ＋ｘｃｌｔ＋ｉ＋ｉｎｇ）からな る。音波は物体にあてられ、所定の周波数域を掃引される。物体の共振スペクト ルが所定の周波数域において測定される。その後、この周波数域における共振応 答のピークの周波数分布に特性が付与され、物体を構造的に識別する固有の信号 が形成される。

１つの技術においては、全周波数域内において一連の比較的小さな応答間隔が決 められる。そして、各間隔内における共振応答のピークの数が測定される。その 後、番手さな間隔内における共振応答ピークの密度がめられ、物体に固有の特性 が形成される。全周波数域において応答ピーク密度を重みづけするための従来の ガウス曲線、および、全周波数域にわたってウィンドー（ｗｉｎｄｏｗ２）が均 等に分配されている簡単なヒストグラムを利用して、他の特性の付与が行われて もよい。

図面の簡単な説明 本明細書に盛り込まれその一部を構成している添付の図面は、本発明を示してい る。そして明細書の記載とともに本発明の詳細な説明している。

図１は、共振超音波分光を行う装置の、ブロック線図のかたちの概略線図である 。

図２Ａは、第１の物体からの共振スペクトルをグラフに表したものである。

図２Ｂは、図２Ａに示される共振応答から計算された、第１の物体のステップに 分けられた間隔における共振特性（＋ｔｅｐｐｅｄ　ｉ＋ｌｅ＋ｖｔｌ　＋ｅ＋ ｏｎａｎｃｅｃｈｚｚｃｌｅ＋１ｒＮｉｏｎ　）をグラフに示したものである。

図２０は、図２Ａに示される共振応答から計算された、ガウス特性（Ｇ１ｕ＋＋ ｉｘｏ　ｅｈｚ＋ｔｃｌｅ＋ｉ■１ｉｏｎ　）をグラフに示したものである。

図２Ｄは、図２Ａに示される共振応答から計算された特性をヒストグラムに表し たものである。

図３Ａは、第２の物体からの共振スペクトルをグラフに表したものである。

図３Ｂは、図３Ｂに示される共振応答から計算された、東２の物体のステップに 分けられた間隔における共振特性をグラフに示したものである。

図３０は、図３Ａに示される共振応答から計算された、共振特性をグラフに示し たものである。

図３Ｄは、図３Ａに示される共振応答から計算された、共振特性をグラフに示し たものである。

発明の詳細な説明 全ての物体は、その形状、サイズおよび物理的特性（たとえば、弾性率、音速、 密度など）により、共振させられうる。つまり、その超音波減衰が充分低くけれ ば、いろいろな周波数において共振的に振動する。観察可能な共振周波数の総数 は、物体の幾何学的な複雑さ、その超音波減衰、考えられつる振動の多様なモー ド（たとえば、大きさ、剪断、ねじれなど）などに依存する。金属立方体のよう な簡単な構造の物体でさえ多数の観察可能な共振周波数を有する。試験が行われ た代表的な物体のうち、複雑な形状のものはおそらく、数千ヘルツから数メガヘ ルツまでの範囲で、数千の共振周波数を有するであろう。

これらの共振周波数は、与えられた物体の音波信号を提供し、この信号から物体 に固有の信号が形成される。

この信号は、応答の振幅には依存せず、該振幅に影響を及ぼす多様な変化にも無 関係である。前記特性を信号として利用して、物体を選択したり、品質管理の基 準とすることが提案される。この信号は、選択された許容範囲レベルで、その内 部の組成も含めて２つの物体を比較して、たとえその位置は特定できなくても、 小さな差異や欠陥の存在の検出を可能とする。

今、図１を参照すると、本発明による共振超音波分光測定システムが示されてい る。試験片Ｕが、それに接触する送信変換器Ｕおよび受信変換器Ｕを有する変換 器７置されるべきであるが、本発明によれば、変換器Ｕおよく、本発明の技術で は、機械的な点接触だけで充分である。同様に、変換器と試験片Ｕの表面とのあ いだの音響カップリングを利用する必要もない。

周波数掃引発振器（ｌｚｑｕｅｎｃｙ　＋ｖ！ｔｐ　ｇ＋ｎｓ＋ｚｌｏ＋　）　 １８が、試験片ＩＯを所定の周波数域で掃引されるある周波数の音波で励起する のに効果的な信号を送信変換器Ｕへ出力する。この周波数域は、たとえば試験片 Ｕを支持する搭載構造や地盤の振動などの環境に左右されない共振応答をうろこ とができるように、かつ、試験片艮からの多数の応答をうることができるように 選択されるのが好ましい。試験片艮のサイズおよび物理的特徴が、前記周波数域 および要求される測定精度を決定する。代表的には、基準物体と試験片との物理 的差異がすくなくとも１％であれば、その差異は検出可能である。また、固体中 での音速が代表的には４ｋａ／＋であることを考慮すれば、１ｍの特徴の検出に はほぼ１キロヘルツの周波数が要求されるが、１■の特徴の検出にはメガヘルツ の周波数が要求される。試験片Ｕの応答は変換器艮により検出され、増幅器Ｈに より増幅され、検出器Ｕに送られる。前述の米国特許出願Ｎｏ、　４０６００７ 号明細書に、適切な検出器が記載されている。しかし、他の多くの検出器も使用 可能である。この応答は、その後の処理のために、Ａ／Ｄコンパ周波数掃引発振 器ＵおよびＡ／ＤコンバータＵに接続されている。コンピュータＵは、発信器Ｕ の掃引速度を制御し、周波数データを受け取って、＾／ＤコンバータＵからの応 答データと互いに関連づける。コンピュータＵはさらに、本発明に従って共振ピ ークの分析を行い、選択された感度を有する、試験片Ｕに固有の特性を形成する 。

多数の利用可能なソフトウェアルーチンのいずれも、周波数の共振ピークを確認 するために使用可能である。

関連のある全周波数域において各共振ピークの周波数を最初に測定することによ り、本発明による前記物体の特徴づけ（ｃｈｘ＋！ｃｔｓ＋ｉｒ！ｔｉｏｎ）が 行なわれる０共振応答周波数の分布はその後、特徴づけられ、その物体に固有の 音波信号が形成される。この信号を形成する１つの方法においては、全周波数域 をステップに分けるために比較的小さな応答間隔が決められる。その後、前記比 較的小さな応答間隔のそれぞれにおいて、共振応答のピークの数が測定される。

各ステップの小さな間隔における共振ピークの数が周波数の関数としてプロット され、物体に固有の１つの特性が形成される。

次のような関数Ｆｉを定義する。

Ｆｉ＝Ｏ（共振の起こらない周波数のとき）Ｆｉ＝１（周波数ｆ１において共振 が起こったとき）ここで、ｆ１≦ｆｉ≦ｆＮであり、この周波数域のＮ個の測定 点において共振周波数が測定された。ステ：Ｉプに分けられた各間隔における信 号のプロットはここでｋはステップ間隔の幅である。

共振周波数の他の分布を選択して、要素の差異に対して異なる感度の固有の特性 を形成してもよい。ガウス関数が、共振スペクトルと交差してスライドする重み づけ関数（ｖｃｉｇｂｆｉＢ　ｆＩｌｎｃｔｉｏｎ）として全間隔に対して用い られてもよい。ガウス信号によるサインのプロットはここでΔｆは選択されたウ ィンドー（ｗｉｎｄｏｗ）幅である。

さらに、次のようなヒストグラム作成のためのサインプロットにより簡単なヒス トグラムが形成されうる。

ここで、Ｍはウィンドー幅であり、ｉは１からウィンドーの数に相当する数のあ いだで変化する。

これらの特性は周波数のみの関数で、周波数応答のピークにおける振幅には依存 しないものと認められる。

例トシテ、２００〜４００キロヘルツの適切な周波数域が選択され、その範囲に おいて掃引発振器が１００ヘルツの間隔でステップに分けられたと仮定する。物 体の応答が各ステップにおいて記録され、共振応答スペクトルが作成される。そ の後、この全応答が減じられて、温度などの制御できない変化に対して比較的鈍 感で、前記小さな応答間隔に対して選択された幅によって決まる多様な選択度（ ＋５ｌｅｃ＋ｉマ白りを有する特性が形成される。

ステップに分けられた間隔の特性を形成するために、たとえば２０００ヘルツの 比較的小さな応答間隔が選択され、掃引ステップに応答するステップ内の全周波 数域に沿って増加される。その後、各ステップの小さな応答間隔内での共振応答 のピークの数が計算される。この例にお０ては、１つのカウント間隔（ｃｏｍｎ ｌｉＢ　１ａｔｅ＋ｖｌｌ　）は２００キロヘルツから２０２キロヘルツのあい だであり、もう１つの間隔は２００１キロヘルツから２０２１キロヘル・ンまで などである。各間隔ステップに対応して、総計１９８０のピーク密度がえられる であろう。そして、本発明によれば、周波数の関数としての共振ピーク密度の分 布は、物体に固有の信号を形成する。

図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ，２Ｄ、３Ａ、３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄは前述の特性を描いて おり、基準物体と異なる物を含む物体を識別する能力を示している。各側におい て、寸法５　Ｘ　ＩＱｃ３厚さｌ、　５＋＋ｍでその端部に幅１ｔ＋ａ、深さ４ ■のスロットを有する、基本となる黄銅板が提供された。

唯一の差異は、端部スロットが２１ずれて配置されていることであった。図２Ａ および３Ａは、この２つの異なる試験片についての共振応答スペクトルである。

図２Ｂおよび３Ｂは、対応する、ステップに分けられた間隔の特性の共振密度の プロットである。３５０キロヘルツの全周波数域が励起信号により掃引され、図 ２Ａおよび３Ａに示される共振スペクトルが発生する。２キロヘルツの第２の間 隔が全周波数域において、０１キロヘルツのステップに分けられ、番茶２の間隔 において多数の共振応答ピークかえられた。これらの共振応答のピークの数が物 体に固有の特性を形成する。そして、全掃引周波数域における共振ピークに関連 して、密度（ステップごとのピークの数）または百分率として公式化されうる。

この２つの特性曲線２Ｂおよび３Ｂのあいだの差異は明確であり、この例におい ては、マニュアルによって、またはコンピュータによる比較表を用いて、確認す ることができる。

全周波数域をとおして、前記小さな応答間隔の幅および前記ステップの長さを調 節することにより、前記特性の選択度（ｓｅｌｓｃｔｉｖｉ＋７　）を変更する ことができる。前記応答間隔およびステップの長さが密度分布の特性をコントロ ールして、多様な共振ピーク分布の影響を強めたり弱めたりすることは明確であ る。

ここまでで論じたように、ガウス特性およびヒストグラム特性を用いることによ って、他の固有の信号を形成することが可能である。図２Ｃおよび３Ｃには、そ れぞれ図２Ａおよび３Ａに示される周波数スペクトルに対するガウス信号（Ｇ！ ＋＋５ｓｉｔｎ　ｓｉｇｎｚｔｕ＋ｅｓ　）が示されている。

選択されたウィンドー幅Δｆは２キロヘルツであった。

１ｆｆ１２Ｄおよび３Ｄには、３０キロヘルツのウィンドー幅のヒストグラム特 性が示されている。試料の端部スロットの２Ｈの配置のずれがガウス特性とヒス トグラム特性の両方における容易に識別できる差異をもたらすことも明確である 。

共振密度が測定される周波数域を選択することにより、または、掃引速度を調節 することにより、前記方法の感度は調節することもできる。掃引速度の増加は明 確な共振の幅を増加させ、隣接による共振を減じ、方法の許容範囲レベルを増加 させる。このようにして、基準物体に対して被試験物体が選択された許容範囲レ ベルを越えたばあいにのみ２つの物体が識別されつる。上述の技術では、検出さ れた異常が何であるかやその位置を決定することはできないことに留意すべきで ある。

共振超音波分光学による方法は、多様な製造における品質管理プロセスに対して 明確な応用を有するが、軍事協定の検証（ｚ＋ｍ＋　Ｈｅ１ｔ７−ｔｔ＋１ｌｉ ｃｔｔｉｏｎ）方法にも重要な応用を有する。たとえば、前記方法は殻状ケーシ ングの内部が詰まっているか中空であるかを容易に識別しており、ロケットや爆 弾シェルの内部の弾頭の数を確かめることもできるであろう。

本発明の実施例についてのこれまでの記載は、図解と描写を目的としてなされた ものである。本発明は以上がその全てではなく、ここまで論じられた形態そのも のに限定されるものでもない。そして、前記の教示から自明の範囲で多数の修正 と変更が可能であることは明白である。前記実施例は、本発明の原理とその実用 的な応用を最も良く説明するために選択されて記載されたものであり、当業者に 、熟慮されたそれぞれの使用に適する、多様な修正をともなう多様な具体化にお いて、本発明を最も良く利用することを可能ならしめる。本発明の範囲は、本明 細書に添付された請求の範囲により定められるべきである。

密　度 密　度 密　度 応　答 密　度 密　度 要　約 共振超音波分光学による方法は、所定の許容範囲よりも大きい物理的な差異を有 する類似の物体を区別するのに用いられる、物体に固有の特性を与える。物体上 のあ；らゆるアクセス可能な位置に励起および検出変換器を配置することにより 、基準物体に対して、共振応答スペクトルがえられる。このスペクトルが分析さ れて、所定の周波数間隔における共振応答ピークが測定される。その後、物体に 固有の信号を形成するのに有効な方法で、共振周波数の分布に特性が付与される 。１つの特性においては、小さな周波数間隔が決められ、スペクトル周波数域全 体にわったってステップに分けられる。同様につぎの物体に特性が付与される。

その特性は、基準物体と所定の許容範囲よりも大きく異なる物体を区別するのに 有効な信号として用いられる。

国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．所定の周波数域を掃引される周波数の音波を物体にあてる工程、 前記物体の前記音波に対する応答を検出する工程、前記所定の周波数域において 各共振ピークにおける周波数を測定する工程、および、 前記共振応答周波数の分布に特性を付与して物体に固有の信号を形成する工程 とからなる 共振超音波分光学により物体に特性を付与する方法。
2. ２．前記共振応答周波数の分布への特性の付与が、比較的小さな応答間隔を決め る工程、 前記所定の周波数城にわたって、前記比較的小さな応答間隔を選択されたステッ プ間隔でステップに分ける工程、および 前記小さな応答間隔内の各ステップにおいて共振応答ピークの数を測定して、前 記物体に固有の信号を形成する工程 を含む、請求項１記載の方法。
3. ３．前記物体の特性に対して所望の選択度をうるために、前記比較的小さな応答 間隔とステップ間隔が選択される、請求項２記載の方法。
4. ４．前記共振応答周波数の分布への特性の付与が、前記所定の周波数城にわたる 複数の周波数ステップを決める工程、および 各周波数ステップにおける共振周波数特性を決定するために、各周波数ステップ においてセンタリングされたガウスの重みづけ分布関数を適用する工程を含む、 請求項１記載の方法。
5. ５．前記共振応答周波数の分布への特性の付与が、前記所定の周波数城にわたる 複数の不連続のビン幅を決める工程、および 前記各不連続のビン幅において前記共振応答周波数の数を測定する工程 を含む、請求項１記載の方法。
6. ６．基準物体の第１の固有の信号を形成する工程、被試験物体の第２の固有の信 号を形成する工程、および 前記第１および第２の信号を比較して、前記被試験物体が、前記共振応答周波数 の分布へ特性を付与する前記工程によって決定される許容範囲内で、前記基準物 体に類似しているかどうかを決定する工程を含む、請求項１、２、４または５記 載の方法。