JP2017125838A - 非破壊試験用の超音波システム - Google Patents

Abstract

【課題】空気結合式超音波トランスデューサを用いた非破壊試験用超音波システムとその方法を提供する。
【解決手段】互いに干渉する超音波を放出するように構成された、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサアレイ１０２が含まれる。放出される超音波は、互いに倍数関係にあり、且つロックされた位相で同時に放出された基本周波数成分を含み、超音波間の干渉によって、空中で複数の周波数倍音が生成される。また本システム１００は、被試験物体１１４から放出された超音波を受信するように構成された受信器１０４、１０６、１０８、１１０を含む。
【選択図】図１

Description

本開示は、概して物体及び構造を検査するための超音波システム及び方法に関し、具体的には、超音波及び空気結合式のトランスデューサを使用した非破壊試験用の超音波システム及び方法に関する。

超音波試験は、被試験物体または被試験材料中への超音波の伝播を伴う、非破壊試験のうちの一部である。例示的な超音波システムは、物体の表面上、または物体の表面付近を通過する際に、物体内部に伝達される超音波を生成する、超音波トランスデューサを含み得る。反射（即ちパルスエコー）による構成では、超音波トランスデューサはまた、物体内の界面及び欠陥から反射される超音波も受信し得、次いで、受信した超音波を分析のためにコンピュータ装置に提供し得る。一方、減衰（即ち透過）による構成では、超音波が物体を通って進んだ後、トランスデューサからは分離している（例えば物体の反対側にある）受信器が、超音波を受信し得、受信した超音波を分析のためにコンピュータ装置に提供し得る。

超音波試験の中で、超音波システムは、液体結合式または空気結合式のどちらかに分類され得る。液体結合式システムでは、トランスデューサと物体表面との間の接触媒質として、水または他の液体が用いられる。一方、空気結合式システムでは、接触媒質として空気または他の気体が用いられる。このように、空気結合システムは非接触式システムであると考えられ得る。トランスデューサと物体との間で、何らの物理的接触が必要とされないからである。

空気結合式システムでは、空中での減衰によって、超音波の相当量のエネルギーが失われ得る。空中での減衰量は、超音波の周波数に比例する。したがって、超音波の周波数が上昇するのにつれて、より多くのエネルギーが減衰によって失われる。さらに、ある実施形態では、空気と物体の表面材料との間で、音響インピーダンスの大きな差異があり得る。この音響インピーダンスの差異もまた、相当なエネルギーの喪失を引き起こし得る。例えば、空中を進む超音波が固形物の境界と衝突すると、音響インピーダンスのミスマッチによって、この超音波のエネルギーの９９．９％より多くが反射して戻り得る。したがって、改良が望まれている。

一実施例で、非破壊試験用の超音波システムが提供される。この超音波システムは、互いに干渉する第１の超音波を放出するように構成された、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを含んでいる。第１の超音波は、互いに倍数関係にある、ロックされた位相で同時に放出された少なくとも２つの基本周波数成分を含む。さらに、第１の超音波間の干渉によって、空中で複数の周波数倍音が生成される。超音波システムは、被試験物体から放出された超音波を受信するように構成された少なくとも１つの受信器も、また含む。

別の実施例で、非破壊試験用の方法が提供される。この方法は、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを用いて、空中の干渉場内で複数の周波数倍音を生成することを含む。この方法はまた、被試験物体から反射された超音波、及び被試験物体内で生成された超音波を受信することも含む。超音波は、複数の周波数倍音の生成によって、物体から反射され、物体内で生成され得る。またこの方法は、物体の少なくとも１つの特性を決定するため、コンピュータ装置を使用して、超音波を示す信号を時間領域、周波数領域、またはこの両方の中で分析することを含む。

さらに別の実施例で、別の方法が提供される。この方法は、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを使用して、空中の干渉場内で複数の周波数倍音を生成することを含む。この少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサは、エアダクトから所定の距離内に位置している。方法は、エアダクト内で生成された超音波を受信することも、また含む。超音波は、複数の周波数倍音が生成されたことによって、エアダクト内で生成され得る。方法はまた、エアダクトを通る流体の流量を決定するため、超音波を示す信号を、コンピュータ装置を使用して分析することを含む。

上述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において単独で実現することが可能であり、または、さらに別の実施形態では組み合わせられてもよい。これらの実施形態のさらなる詳細は、以下の説明及び添付図面を参照することによって見ることができる。

条項１．本開示の一態様によると、互いに干渉する第１の超音波を放出するように構成された少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサであって、第１の超音波は、互いに倍数関係にあり、且つロックされた位相で同時に放出された、少なくとも２つの基本周波数成分を含み、第１の超音波間の干渉が空中で複数の周波数倍音を生成する、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサと、被試験物体から放出された超音波を受信するように構成された少なくとも１つの受信器と、を含む非破壊試験用の超音波システムが提供される。

条項２．有利には、超音波システムは、第１の超音波が干渉場を形成し、複数の周波数倍音がこの干渉場内で生成されるものである。

条項３．有利には、超音波システムは、干渉場が、空中に生成された定在波パターンを有する干渉柱（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｌｕｍｎｓ）を含むものである。

条項４．有利には、超音波システムは、定在波パターンが空気圧縮領域と希薄化領域とを交互に含み、圧縮領域内で超音波衝撃波が形成されるものである。

条項５．有利には、超音波システムは、少なくとも１つの空気結合式超音波放出器が、空気結合式超音波トランスデューサのアレイを含むものである。

条項６．有利には、超音波システムは、複数の周波数倍音が２０Ｈｚ〜２０ＭＨｚの間の周波数を含むものである。

条項７．有利には、超音波システムは、少なくとも２つの基本周波数成分が１００ｋＨｚ未満であるものである。

条項８．有利には、超音波システムは、少なくとも１つの受信器が、非接触式空気結合式受信器を含むものである。

条項９．有利には、超音波システムは、少なくとも１つの受信器が、物体から反射された、及び物体内で生成された超音波を受信するように構成されているものである。

条項１０．有利には、超音波システムは、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサが物体の第１の面に位置し、少なくとも１つの受信器が、物体の第１の面に位置する第１の受信器と、物体の第１の面と反対である物体の第２の面に位置する第２の受信器とを備えるものである。

条項１１．有利には、超音波システムは、コントローラをさらに備えるものであって、少なくとも１つの受信器は、受信した超音波を示す信号をコントローラに対して提供するようにさらに構成され、コントローラは、この信号を時間領域、周波数領域、またはその両方において分析するように構成されているものである。

条項１２．有利には、超音波システムは、物体がエアダクトを備えているものである。

条項１３．本開示の一態様で、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを使用して、空中の干渉場内に複数の周波数倍音を生成することと、複数の周波数倍音の生成によって、被試験物体から反射された、及び被試験物体内で生成された超音波を受信することと、物体の少なくとも１つの特性を決定するため、コンピュータ装置を使用して、超音波を示す信号を時間領域、周波数領域、またはこの両方の中において分析することとを含む、非破壊試験用の方法が提供される。

条項１４．有利には、非破壊試験の方法は、空中の干渉場内に複数の周波数倍音を生成することが、互いに干渉する第１の超音波を放出することを含み、第１の超音波が、互いに倍数の関係にあり且つ重畳された、少なくとも２つの基本周波数成分を含むものである。

条項１５．有利には、非破壊試験の方法は、干渉場の位置を調整することをさらに含むものである。

条項１６．有利には、非破壊試験の方法は、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを、物体から所定の距離内に位置させることをさらに含む。

条項１７．有利には、非破壊試験の方法は、超音波を受信することが、物体から所定の距離内に位置する少なくとも１つの非接触式空気結合式超音波トランスデューサから超音波を受信することを含む。

条項１８．本開示の一態様で、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを使用して、空中の干渉場内に複数の周波数倍音を生成することであって、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサは、エアダクトから所定の距離内に位置している、生成することと、エアダクト内で生成された超音波を受信することであって、超音波は複数の周波数倍音の生成によってエアダクト内で生成される、受信することと、エアダクトを通る流体の流量を決定するため、超音波を示す信号を、コンピュータ装置を使用して分析することとを含む方法が提供される。

条項１９．有利には、非破壊試験の方法は、空中の干渉場内に複数の周波数倍音を生成することが、互いに干渉する第１の超音波を放出することを含み、第１の超音波が、互いに倍数の関係にあり且つ重畳された、少なくとも２つの基本周波数成分を含む。

条項２０．有利には、非破壊試験の方法は、超音波を受信することが、少なくとも１つの非接触式空気結合式超音波トランスデューサから超音波を受信することを含む。

例示的実施形態の特徴と考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に明記される。しかしながら、例示の実施形態、好ましい使用モード、さらなる目的、及びそれらの説明は、添付図面を参照しつつ、本開示の例示の実施形態の後述の詳細な説明を読むことにより、最もよく理解されるであろう。

一実施例による、例示的なシステムの概念図である。 一実施例による、例示的な干渉場の概念図である。 図１の例示的システムを用いて得られた、周波数の測定値の例を示す。 図１の例示的システムを用いて得られた、周波数の測定値の例を示す。 図１の例示的システムを用いて得られた、周波数の測定値の例を示す。 図１の例示的システムを用いて得られた、周波数の測定値の例を示す。 一実施例による、例示的な干渉柱の概念図である。 一実施例による、複数の周波数倍音を表す例示的な周波数測定結果を示す。 一実施例による、干渉場の例示的なオシログラムを示す。 超音波トランスデューサアレイ、及びその焦点の赤外線画像である。 一実施例による、物体の検査の概念図である。 一実施例による、別の物体の検査の概念図である。 一実施例による、さらに別の物体の検査の概念図である。 一実施例による、非破壊試験の例示的方法のフロー図である。 一実施例による、非破壊試験の別の例示的方法のフロー図である。

これより、添付図面を参照して開示の実施形態についてさらに詳細に説明するが、添付図面には、開示されるすべての実施形態が示されているわけではない。実際には、複数の異なる実施形態が提供されてよく、これらの実施形態は、本明細書で説明される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、この開示内容が徹底的且つ完全であるように、また本発明の範囲が当業者に十分に伝わるように、これらの実施形態が提示されている。

実施例中で、非破壊試験用の超音波システム及び方法が提供されている。ある実施形態では、システム及び方法は、超音波及び空気結合式トランスデューサを使用した、材料及び構造の非接触式非破壊試験及び特性評価を促進し得る。例えば、本明細書に記載のシステム及び方法は、検査者が物体を評価し、例えば孔や層間剥離といった物体内の任意の欠陥を特性評価することを、可能にし得る。代替的に、本明細書に記載のシステム及び方法は、検査者がエアダクトまたは通水ダクトといった構造を通る流体の流量を測定することを可能にし得る。

上記のように、先行技術による空気結合式システムでは、相当な量の超音波のエネルギーが、空中における減衰及び、空気と被試験物体表面との間の音響インピーダンスのミスマッチによって失われ得る。有利には、本明細書に記載のシステム及び方法は、空中の減衰及び音響インピーダンスのミスマッチによるロスを、大幅に低減し得る。

さらに、本明細書に記載のように、例示のシステム及び方法は、複雑な３次元形状の様々な特性を、先行技術のシステムよりもより良い空間的解像度及び／またはよりよい信号対雑音比で特性評価するために使用され得る。例示のシステム及び方法は、可聴周波数全域及び／または超音波領域（例えば、２〜３Ｈｚから少なくとも２０ＭＨｚ）における、偶数及び奇数の倍音の良く構成されたパターンを、同時に生成するために使用され得る。この特性によって、既存のシステムを使用した物体の検査と比べて、より短い時間枠内で物体を検査することが可能になり得る。このように、例示のシステム及び方法は、既存のシステムに比べてより迅速であり得、かつよりコスト効率的であり得る。

本明細書で開示される実施形態によると、例示のシステムは、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサ及び少なくとも１つの受信器を含む。この少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサは、互いに干渉する第１の超音波を放出するように構成されていてよい。一実施例では、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサは、高周波倍音の形成を引き起こす、高出力で、低周波数の超音波を放出し得る。例えば、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサは、互いに倍数関係にある（例えば、第１の超音波は４０ｋＨｚであり第２の超音波は８０ＫＨｚである）、２つ以上の周波数の超音波を同時に放出し得る。伝達された超音波は、空中で互いに干渉し得、周波数倍音の形成を引き起こし得る（例えば、１２０ｋＨｚに第３倍音、１６０ｋＨｚに第４倍音、など）。このように、第１の超音波を放出することによって、第１の超音波を放出する超音波トランスデューサから離れたところに、仮想のトランスデューサと複数の周波数倍音とが作り出され得る。

第１の超音波及び複数の周波数倍音が被試験物体に到達すると、この超音波及び周波数倍音は、物体から反射した、及び物体内で生成された、第２の超音波及び音波を励起し得る。これらの第２の波は、物体の特性に依存し物体の特性を示す、特徴を有し得る。第２の波は、少なくとも１つの受信器によって検出され得る。ある実施例では、この少なくとも１つの受信器は、次いで、時間領域及び／または周波数領域内で信号を分析するように構成されたコントローラに対して、第２の波を示す信号を提供し得る。次いでコントローラは、受信した信号を使用して物体の１つ以上の特性を決定し得る。

ある実施形態では、少なくとも１つの超音波トランスデューサによって生成された第１の超音波は、干渉場を形成し得る。この干渉場の中では、複数の周波数倍音が生成される。さらに、この干渉場は、定在波パターンを有する干渉柱を含み得る。

一実施形態では、少なくとも１つの超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサのアレイであってよい。同様に、ある実施形態では、少なくとも１つの受信器は、受信器のセットを含んでいてよい。例えば、システムは、少なくとも１つの超音波トランスデューサが位置している物体の第１の面に位置する第１の受信器と、物体の反対側に位置する第２の受信器とを含み得る。

上記された例示のシステムの様々な他の特徴もまた、これらのシステムを使用して物体の表面を評価する方法と同様、添付の図面を参照して以下で記載される。

ここで図面を参照すると、図１は、例示のシステム１００の概念図である。図１に示すとおり、例示のシステム１００は、超音波空気結合式トランスデューサアレイ１０２、複数の受信器１０４、１０６、１０８、１１０、及びコントローラ１１２を含んでいる。これらは、システムバス、ネットワーク、または他の接続機構（図示せず）によって連結されていてよい。

上記のように、ある実施例では、超音波空気結合式トランスデューサアレイ１０２は、単一の超音波トランスデューサによって代替されてよい。したがって、図１のシステム１００はトランスデューサアレイを含むものとして記載されているが、この例示は限定することを意図するものではない。

一実施例では、トランスデューサアレイ１０２は、音波及び／または超音波を放出するようにアレンジされた３００個のトランスデューサを含み得る。一実施例では、トランスデューサアレイ１０２は、互いに干渉する第１の超音波を放出するように構成されていてよい。一実施例として、アレイ内の各トランスデューサは、互いに倍数関係にある２つ以上の基本周波数成分（例えば４０ｋＨｚと８０ｋＨｚ、あるいは５０ｋＨｚと１００ｋＨｚなど）のうちの１つを、放出するように構成されていてよい。

さらに、この基本周波数成分のそれぞれは、ロックされた位相内で同時に放出され得、それによって、第１の超音波間の干渉が、空中で複数の周波数倍音を生成する。複数の周波数倍音は、２〜３ヘルツから複数のメガヘルツの周波数の範囲であってよい。これらの周波数倍音の生成は、発生する非線型効果のうちのあるものによって説明することができる。

第１に、高強度の音波が空中を伝播するのにつれて、音波の波形が変化することが知られている。波形の歪みは、空気の非線型性によって引き起こされる。この結果、さらなる周波数が生成される。空中の音とは、長手方向の圧力波であり、空気の圧縮と希薄化の振動である。典型的には７０ｄＢ未満の音圧（ＳＰＬ）である、比較的低い強度の音に関しては、空気は、圧縮と希薄化の割合が等しい線型の媒体としてふるまう。ＳＰＬが増大すると、空気は非線型となり、圧縮と希薄化の割合は変化して、もはや等しくなくなる。具体的には、圧縮部分が、希薄化部分よりもより速く伝わり始める。これによって、波が空中を伝播するのにつれて波形の連続的なひずみが生じ、その結果、新たにより高い周波数が生成される。例えば、正弦波が、より鋸歯状波のようになる。鋸歯状波は偶数と奇数の倍音を含む。第２倍音は、例えば、第１倍音の２倍の周波数であり、半分の波長である。

第２に、異なる周波数を持つ少なくとも２つの高強度超音波が互いに干渉するとき、空気の非線型性によって、これらの和周波数及び差周波数が生成され得る。この効果は、音響ヘテロダイン処理として知られている。異なる周波数が、２つのトランスデューサから生成されていようと１つのトランスデューサから生成されていようと、効果は同一である。例えば、第１の超音波が４０ｋＨｚと８０ｋＨｚである場合、これらの波の干渉によって、差周波数４０ｋＨｚと、和周波数１２０ｋＨｚの形成につながり得る。後者は、第３倍音である。第１の超音波の出力が増大するのにつれて、第４、第５、第６、及びさらなる倍音が生成され得る。

低周波の（例えばキロヘルツの）第１の超音波を使用した周波数倍音の生成はまた、空中での減衰によるロスの低減にも貢献する。周波数倍音は、空中の干渉場内の、第１の超音波が（トランスデューサによって放出される点よりもむしろ）合焦する点において、生成される。そのため、高周波がトランスデューサから放出される場合に比べて、この高周波の倍音は、多くの空中を伝わらなくてよい。その結果、この高周波の倍音は、トランスデューサから直接放出された場合ほどには、空中における減衰を受けない。

一実施例では、第１の超音波は、定在波パターンを有する干渉柱を含む、干渉場を形成し得る。この干渉は、トランスデューサアレイ１０２と被試験物体１１４との間に位置する、受信器１０４によって測定可能であってよい。以下でさらに記載されるように、ある実施例では、定在波パターンは、空気圧縮領域と希薄化領域とを交互に含み得、圧縮領域内で超音波衝撃波が形成されるものである。

実際には、トランスデューサアレイ１０２によって放出された第１の超音波は、第１の超音波間の干渉によって生成された複数の倍音と共に、長手方向、シアー、表面、などといった様々な態様で、物体１１４の至る所に伝播し得る。次いで、物体１１４の至る所への伝播によって、第２の超音波及び／または音波が生成され得る。複数の受信器１０４、１０６、１０８、１１０は、物体１１４の至る所の様々な箇所で物体１１４から放出された、第２の超音波及び／または音波を受信するように構成されていてよい。ある実施例では、複数の受信器１０４、１０６、１０８、１１０のうちの１つ以上は、空気結合式受信器であってよい。複数の受信器は、次いで、受信した信号をコントローラ１１２に提供し得る。

コントローラ１１２は、トランスデューサアレイ１０２を制御する役割を果たし得る。例えば、コントローラ１１２は、アレイ内のトランスデューサを活性化させて、超音波を放出させ得る。別の例として、コントローラ１１２は、干渉場の位置を調整するために、トランスデューサアレイ内のトランスデューサを指向させ及び／または合焦させ得る。コントローラ１１２はまた、複数の受信器１０４、１０６、１０８、１１０を制御し、複数の受信器から受信した信号を処理する役目も果たし得る。複数の受信器１０４、１０６、１０８、１１０は、同時に複数の周波数で動作し得る。このように、コントローラ１１２は、複数の受信器１０４、１０６、１０８、１１０から受信した信号を、時間領域、周波数領域、またはこの両方内で処理するように構成されていてよい。

一実施例では、コントローラ１１２は、１つ以上のプロセッサと１つ以上のメモリを含み得る。例えば、コントローラ１１２は、タブレットコンピュータ装置、ラップトップコンピュータ装置、またはデスクトップコンピュータ装置といった、コンピュータ装置であってよい。

上記のように、トランスデューサアレイ１０２は、干渉場において互いに干渉する、第１の超音波を放出し得る。図２は、例示的な干渉場の概念図である。具体的には、図２は、図１のトランスデューサアレイ１０２によって放出された第１の超音波間の干渉によって生じ得る、非線型効果を示す。

図２に示すように、一実施形態では、第１の超音波同士が干渉場２０２内で干渉し得る。干渉場２０２内では、ＳＰＬは１３０ｄＢよりも大きくてよい。出願人らは、互いに倍数関係にある少なくとも２つの基本周波数成分を有する高出力超音波を重畳することによって、複数の周波数の定在波を有する大気柱と同様の構造が、まさに大気中に（即ち音響自由場に）形成され得ることを発見した。図２は、干渉エリア２０２内でのこうした構造の形成を示す。この構造（以降、干渉柱と称する）は、空気の圧縮領域と希薄化領域とが交互である定在波のパターンを有する大気柱と、同様のものである。

同様に図２に示すように、ある実施例では、干渉エリア２０２内における第１の超音波間の干渉は、トランスデューサから外に指向された、はっきりした定常的な気流を生成し得る。こうした気流は、音響流として知られている現象である。空中の音響流は、高強度の音波によって生じた、渦の形態の気流であるとして説明される。

図２はまた、干渉エリア２０２内における超音波衝撃波の存在も示す。以下でより詳細に記載されるように、超音波衝撃波の存在は、干渉柱内の圧縮領域における、高周波倍音の形成に貢献し得る。

図３〜６は、一実施例の実験における図１の例示的システム１００を使用して得られた、周波数の測定値の例を示す。具体的には、図３〜６は、それぞれ図１の受信器１０４、１０６、１０８、１１０で得られた、周波数の測定値の例を示す。この実験では、トランスデューサアレイ１０２は３００個の４０ｋＨｚ空気結合式トランスデューサを含み、約１４５ｄＢのＳＰＬを作り出すように測定が行われた。トランスデューサアレイ１０２は、炭素複合材パネルの中心に、６インチの焦点距離で合焦された。炭素繊維パネルは、約５フィート×５フィートであった。受信器１０４、１０６、１０８、１１０は、炭素繊維複合材パネルの周囲に設置された。具体的には、受信器１０４は、パネルに面して、パネルから２インチの距離で干渉場内に配置され、受信器１０６は、パネルの背面に配置され、受信器１０８は、パネルの前面に、干渉場から約１フィート離れて配置され、受信器１１０は、パネルの背面の上方の隅に配置された。図３に示す周波数測定値は、例えば、２〜３メガヘルツほどにも高い周波数を有する、偶数の倍音及び奇数の倍音の存在を示す。

図７は、例示的な干渉柱を示す。具体的には、図７は、実験中に液体窒素によって可視化された干渉柱の画像７００である。この実験では、液体窒素を多く含んだ一片の泡７０２が、３００個のトランスデューサ（図示せず）を有するトランスデューサアレイの焦点内に設置された。トランスデューサアレイの基本周波数を測定したところ、約４２．３６３ｋＨｚであった。焦点内では、ＳＰＬは約１３０ｄＢであった。このＳＰＬで、トランスデューサアレイは、トランスミッタアレイから外向きに指向された、渦の形態の気流を生成した。この気流の速度を測定したところ、秒速約１．３メートルであった。

画像７００に示すように、実験中に液体窒素が空気を冷却し、霧７０４が発生した。霧は、空気の温度と露点との差が４°Ｆ未満になると発生する。 本実験の時点で、室温は約７３°Ｆであり、相対湿度は約４５％であった。これらの条件は、５０°Ｆの露点、及び約５４°Ｆの霧発生温度に相当する。

霧７０４が干渉柱内に流入することによって、干渉柱が浮かび上がり、明らかになった。干渉柱のピーク及びトラフは、付近のエリア内との露点の差異によって、画像７００内で視覚可能である。画像７００の画像分析に基づくと、霧７０４のピーク間の距離とトラフ間の距離は等しく、約４ｍｍのようであった。この４ｍｍの距離は、４０ｋＨｚの超音波の空中における波長の約半分である。具体的には、この４ｍｍの距離は、４２．３６８ｋＨｚの周波数の超音波に対応する。これは、実験中に測定されたトランスデューサアレイの第１倍音の周波数である４２．３６３ｋＨｚと、よく合致している。さらに、霧７０４は、実際には干渉柱内に引きずり込まれたことが観察された。このことは、トランスデューサアレイによって生成された気流内に、陰圧のエリア、並びに下降流の渦及び上昇流の渦が存在していることを示している。

図８は、一実施例による、複数の周波数倍音を表す例示的な周波数測定結果を示す。具体的には、図８は、別の実験で測定された周波数倍音を示す。実験中、３００個のトランスデューサを有するトランスデューサアレイは、第１の超音波を放出した。第１の超音波は、約４０ｋＨｚまたは約８０ｋＨｚのどちらかの周波数を有していた。周波数の測定は、当初トランスデューサアレイの焦点内に設置され、０．１インチの増分でトランスデューサアレイからさらに遠くに移動された、３００ｋＨｚの受信器によって行われた。

図８に示すように、受信器は、空気の圧縮エリアと希薄化エリアとで異なる数の倍音を検出した。具体的には、希薄化エリア（即ち、図８の０．３インチ及び０．５インチ）では、受信器は１ＭＨｚまでの倍音を検出した。一方で、圧縮エリア（即ち、図８の０．２インチ及び０．４インチ）では、受信器は１ＭＨｚまでの倍音と共に、１ＭＨｚを超える倍音を検出した。圧縮エリアと希薄化エリアとの間の平均距離は、０．１６〜０．２０インチ以内のようであった。この距離は、図７を参照して上記された実験の中で、液体窒素を用いて測定され視覚化された。

上記のように、空気圧縮エリア内でより高いＭＨｚの倍音が生成されたことは、衝撃波の形成によって引き起こされたと考えられる。図９は、３００個のトランスデューサを有するトランスデューサアレイの焦点内に設置された受信器で測定された、干渉場のオシログラム９０２、９０４の例を示す。

左側のオシログラム９０２は、トランスデューサアレイに９ワット（低電力）が供給されたときの超音波の波形を示す。この電力では、トランスデューサアレイは５００ｋＨｚ未満の倍音を生成し得、それよりも高い倍音は全く生成しない。

右側のオシログラム９０４は、トランスデューサアレイに８２ワット（高電力）が供給されたときの超音波の波形を示す。右側のオシログラム９０４は、波長の１／２の希薄化、次いで波長の１／２の圧縮、次いで波長の１／２の希薄化、といったシーケンスを示している。低電力では、波形は、２５マイクロ秒に等しい合計時間で、左右対称である。これは、４０ｋＨｚの周波数に相当する。一方で、高電力では、シーケンスは非対称になり、波形の前部９０６では２マイクロ秒ぶん、より急であり、波形の後部９０８では２マイクロ秒ぶん、より長く緩やかである。低電力の波形と高電力の波形の間のこうした変化は、衝撃波が形成されることを表している。

図１０は、例示の実験中の、超音波トランスデューサアレイ１００２、及びその焦点１００４の赤外線画像１０００を示す。上記のように、トランスデューサ１００２によって生成された干渉場は、温度勾配を作り出し得る。例示の実験においては、超音波トランスデューサ１００２は、３００個のトランスデューサを有するトランスデューサアレイであった。赤外線画像１０００は、一片の黒い泡を背景として撮影された。図１０に示すように、焦点の最高温度を測定したところ、約５６°Ｃであった。焦点でこうして温度が上昇したことは、干渉場の圧縮エリア内で超音波衝撃波が形成されたことを表している。

有利には、超音波衝撃波の形成は、空気と物体表面との間の音響インピーダンスのミスマッチによるロスの低減に貢献する。衝撃波は空気の特性を劇的に変化させ、衝撃波が形成されたところでは、空気は本質的に擬似液体になる。この擬似液体は、被試験物体の表面と接触し得、空気の音響インピーダンスよりも大きい音響インピーダンスを有し得る。言い換えれば、擬似液体と固体との間の音響インピーダンスのミスマッチは、空気と固体との間の音響インピーダンスのミスマッチよりも小さいものであり得る。この結果、衝撃波が存在するときには、被試験物体に向けて指向された超音波は、空気から固体への境界ではなく、擬似液体から固体への境界を超え、反射してトランスデューサに向けて戻る超音波のエネルギー量は、より少なくなる。

図１１は、一実施例による、物体の検査の概念図である。具体的には、図１１は、プラスチックコーン１１０４がトランスデューサアレイ１１０６の焦点にごく近接して設置されたときに、受信器１１０２によって測定された周波数の変化を示す。プラスチックコーン１１０４がトランスデューサアレイ１１０６の焦点付近にない場合には、メガヘルツのレンジ内の周波数倍音を含む複数の周波数倍音が、受信器１１０２によって検出される。プラスチックコーン１１０４がトランスデューサアレイ１１０６の焦点付近に設置されている場合には、プラスチックコーン１１０４が、複数の周波数倍音の特徴を変化させる。例えば、プラスチックコーン１１０４が存在することによって、いくつかの周波数倍音が持つパワーのうち、受け取られるものが減少する。ある例では、受信器１１０２は、プラスチックコーン１１０４がある場合とない場合に受信した信号を、コントローラ（図示せず）に提供するように構成されていてよい。こうして、コントローラは、受信した信号を分析することによってプラスチックコーンの１つ以上の特性を決定し得る。

図１２及び図１３は、一実施例による、別の物体の検査の概念図である。具体的には、図１２及び１３は、それぞれ受信器１２０２及び１２０４によって測定された、周波数の変化を示している。これらの変化は、ポリスルフィドの密封材１２０６のサンプル中の孔の存在を表している。図１２及び１３に示す周波数の測定値を得るために、受信器１２０２及び１２０４は、第１に、トランスデューサアレイ１２０８が第１の超音波を放出したときに、孔のないポリスルフィドの密封材１２０６のサンプルから放出された超音波信号を測定した。続いて、ポリスルフィドの密封材１２０６のサンプルに、孔が加えられ、受信器１２０２及び１２０４を用いてさらなる周波数測定値が得られた。

図１２、具体的にはグラフ１２１０で、受信器１２０２によって得られた、ポリスルフィドの密封材１２０６のサンプルの、孔があるものと孔がないものとの間の周波数測定値の差異（即ち変動）が示されている。グラフ１２１０に示されるように、受信器１２０２によって得られた、ポリスルフィドの密封材１２０６のサンプルの周波数測定値には、孔があるものと孔がないものとで顕著な変化がある。グラフ１２１０に示される結果は、コントローラまたは作業員が、受信器１２０２を用いて決定された周波数測定値を分析して、サンプルに孔があることを決定し得ることを表している。

同様に、図１３のグラフ１３１０で、受信器１２０４によって得られた、ポリスルフィドの密封材１２０６のサンプルの、孔があるものと孔がないものとの間の周波数測定値の差異（即ち変動）が示されている。グラフ１３１０に示されるように、受信器１２０２によって得られた、ポリスルフィドの密封材１２０６のサンプルの周波数測定値には、孔があるものと孔がないものとで顕著な変化がある。グラフ１３１０に示される結果は、コントローラまたは作業員が、受信器１２０４を用いて決定された周波数測定値を分析して、サンプルに孔があることを決定し得ることを表している。

図１４は、一実施例による、非破壊試験の例示的方法のフロー図である。図１４に示す方法１４００は、例えば図１に示すシステム、または本明細書に記載の任意のシステムで用いられ得る、方法の一実施形態を表している。例示の装置またはシステムは、図１４に示す論理的機能を実行するように、使用または構成してよい。場合によっては、装置及び／またはシステムのコンポーネントが機能を実行するように構成されてよい。このような実行を可能にするため、コンポーネントは、（ハードウェア及び／またはソフトウェア付きで）実際に構成及び構築されてよい。他の実施例では、システム及び／または装置の構成要素は、この機能の実行に適合するように構成されてもよく、この機能の実行が可能であるように構成されてもよく、この機能の実行が適切であるように構成されてもよい。方法１４００は、ブロック１４０２から１４０６のうちの１つ以上で示されているように、１つ以上の工程、機能、または動作を含んでいてよい。これらのブロックは順番に示されているが、これらのブロックは、並行して実行してもよく、及び／または、本書記載の順序とは異なる順序で実行してもよい。さらに、様々なブロックを、組み合わせて数を減らしたり、さらなるブロックに分割したり、所望の実装形態に基づいて取り除いたりしてもよい。

本書に開示されるこのプロセスと方法及び他のプロセスと方法について、フロー図は、本実施形態の可能な一実装形態の機能性及び工程を示していることは理解されるべきである。これについては、それぞれのブロックが、モジュール、セグメント、またはプログラムコードの一部を表していてよい。プログラムコードは、プロセスの中で特定の論理的機能または手順を実行するプロセッサによって実行可能な、１つ以上の命令を含んでいてよい。プログラムコードは、例えば、ディスクまたはハードドライブを含む記憶装置といった任意の種類のコンピュータ可読媒体またはデータストレージ上に記憶されていてよい。このコンピュータ可読媒体は、例えば、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、及びＲＡＭのような、データを短期間記憶するコンピュータ可読媒体などの、非一時的なコンピュータ可読媒体またはメモリを含んでいてよい。コンピュータ可読媒体はまた、任意の他の揮発性または非揮発性のストレージシステムであってもよい。コンピュータ可読媒体は、例えば、有形のコンピュータ可読記憶媒体とみなされてよい。

さらに、図１４の各ブロックは、プロセスの中で特定の論理的機能を実行するために配線されている回路を表し得る。代替的な実装形態は、本開示の例示の実施形態の範囲内に含まれる。本開示の例示の実施形態では、関連する機能性に応じて、図示または記載されている順序とは異なる順序（ほぼ並列の順序または逆の順序を含む）で機能が実行されてもよい。このことは、当業者によって理解されるであろう。

方法１４００は、初めにブロック１４０２で、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを使用して、空中の干渉場内で複数の周波数倍音を生成することを含んでいる。一例として、空中で互いに干渉する第１の超音波のトランスデューサアレイからの放出が、コントローラによって起こされてよい。第１の超音波（複数）は、互いに倍数関係にある周波数成分を含み得、これらの第１の超音波は、同時に放出され得る。第１の超音波同士が互いに干渉するとき、第１の超音波は、複数の周波数倍音を生成し得る。

ある実施例では、コントローラは、干渉場の位置の調整も行い得る。一実施例では、干渉場の位置を調整することは、超音波トランスデューサによって放出された第１の超音波を指向する（例えば、電子的または機械的に操縦する）ことを含み得る。追加で、または代わりに、干渉場の位置を調整することには、超音波トランスデューサを被試験物体の表面に合焦させることを含み得る。ある実施例では、オペレータまたはロボットシステムが、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを物体から所定の距離内に位置させ得る。例えば、オペレータまたはロボットシステムは、被試験物体の表面上に合焦するように、トランスデューサを移動し得る。

方法１４００は、ブロック１４０４で、被試験物体から反射された、及び被試験物体内で生成された、超音波を受信することを含む。例として、非接触式の空気結合式超音波受信器が、この超音波を受信し得る。上記の記載に従って、超音波は、複数の周波数倍音の生成によって、被試験物体内から反射され得、物体内で生成され得る。例えば、複数の周波数倍音は、物体から反射された、及び物体内で生成された、超音波を励起させ得る。超音波受信器は、少なくとも１つのトランスデューサに対して物体の同じ側に位置していてもよく、物体の反対側に位置していてもよい。

方法１４００は、ブロック１４０６で、物体の少なくとも１つの特性を決定するため、コンピュータ装置を用いて、超音波を示す信号を時間領域、周波数領域、またはこの両方の中において分析することを含んでいる。一例として、コンピュータ装置は、物体が孔、へこみ、または内部変形（例えば層間剥離）を含んでいるかどうかを決定するために、信号を分析し得る。

図１５は、一実施例による、非破壊試験の別の例示的方法のフロー図である。図１５に示す方法１５００は、例えば図１に示すシステム１００、または本明細書に記載の任意のシステムで使用され得る、方法の一実施形態を表している。

方法１５００は、フロー図のブロック１５０２〜１５０６に示すように、１つ以上の工程、機能、または動作を含んでいてもよい。ブロックは順番に示されているが、これらのブロックはまた、並行して実行してもよく、及び／または、本書に記載の順序とは異なる順序で実行してもよい。さらに、方法１５００の所望の実装形態に基づいて、様々なブロックを、組み合わせて数を減らしたり、さらなるブロックに分割したり、フロー図から取り除いたりしてもよい。それぞれのブロックが、モジュール、セグメント、またはプログラムコードの一部を表していてよい。プログラムコードは、プロセスの中で特定の論理的機能または手順を実行するプロセッサによって実行可能な、１つ以上の命令を含んでいてよい。さらに、図１５の各ブロックは、プロセスの中で特定の論理的機能を実行するために配線されている回路を表し得る。

方法１５００は、初めにブロック１５０２で、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを使用して、空中の干渉場内で複数の周波数倍音を生成することを含んでいる。この少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサは、（航空機構造体のエアダクトといった）エアダクトから、所定の距離内に位置していてよい。一例では、空中で互いに干渉する第１の超音波のトランスデューサアレイからの放出が、コントローラによって起こされてよい。第１の超音波（複数）は、互いに倍数関係にある周波数成分を含み得、これらの第１の超音波は、同時に放出され得る。第１の超音波同士が互いに干渉するとき、第１の超音波は、複数の周波数倍音を生成し得る。

方法１５００は、ブロック１５０４で、この生成に応答して、エアダクト内で生成された超音波を受信することを含んでいる。例として、非接触式の空気結合式超音波受信器が、この超音波を受信し得る。上記の記載に従って、超音波は、複数の周波数倍音の生成によって、エアダクト内で生成され得る。超音波受信器は、少なくとも１つのトランスデューサに対して物体の同じ側に位置していてもよく、物体の反対側に位置していてもよい。

方法１５００は、ブロック１５０６で、エアダクトを通る流体の流量を決定するため、超音波を示す信号を、コンピュータ装置を用いて分析することを含んでいる。一実施例では、コントローラは、流量を決定するために、複数の周波数のドップラー偏移を測定し得る。例えば、コントローラは、エアダクト内を移動する粒子からの反射光の波長内の、ドップラー偏移を測定し得る。このようにして、エアダクト内を通る流量が、エアダクトを取り外して流量計を取り付けることなく、推定され得る。

種々の有利な構成の説明は、例示及び説明を目的として提示されており、完全であること、または開示された形態の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者には、多くの修正例及び変形例が明らかであろう。さらに、異なる有利な実施形態は、他の有利な実施形態と比べて異なる利点を提供し得る。ここに選択された１つ以上の実施形態が選ばれ記載されたのは、実施形態の原理、実際の適用を最もよく説明するため、及び、他の当業者が、想定される特定の用途に適する様々な修正例を伴う様々な実施形態の開示内容を理解できるようにするためである。

Claims (10)

1. 互いに干渉する第１の超音波を放出するように構成された少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサ（１０２）であって、
   前記第１の超音波は、互いに倍数関係にあり、且つロックされた位相内で同時に放出された、少なくとも２つの基本周波数成分を含み、前記第１の超音波間の前記干渉が空中で複数の周波数倍音を生成する、少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサ（１０２）と、
   被試験物体から放出された超音波を受信するように構成された少なくとも１つの受信器（１０４、１０６、１０８、１１０）とを備える、非破壊検査用の超音波システム（１００）。
2. 前記第１の超音波が干渉場（２０２）を形成し、前記複数の周波数倍音が前記干渉場内で生成される、請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記干渉場は、空中に生成された定在波パターンを有する干渉柱（７００）を含む、請求項１または２に記載の超音波システム。
4. 前記少なくとも２つの基本周波数成分が１００ｋＨｚ未満である、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波システム。
5. 前記少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサが前記物体の第１の面に位置し、
   前記少なくとも１つの受信器が、前記物体の前記第１の面に位置する第１の受信器（１０４）と、前記物体の前記第１の面と反対である前記物体の第２の面に位置する第２の受信器（１０６）とを備える、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波システム。
6. コントローラ（１１２）をさらに備える超音波試験システムであって、
   前記少なくとも１つの受信器は、受信した超音波を示す信号を前記コントローラに対して提供するようにさらに構成され、
   前記コントローラは、前記信号を時間領域、周波数領域、またはその両方において分析するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波システム。
7. 少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサ（１０２）を使用して、空中の干渉場内に複数の周波数倍音を生成すること（１４０２）と、
   被試験物体から反射され、及び前記被試験物体内で生成された、超音波を受信すること（１４０４）であって、前記超音波は前記複数の周波数倍音の発生によって前記物体から反射され前記物体内で生成された、受信すること（１４０４）と、
   前記物体の少なくとも１つの特性を決定するため、コンピュータ装置（１１２）を使用して、前記超音波を示す信号を時間領域、周波数領域、またはこの両方の中において分析すること（１４０６）と
   を含む、非破壊試験用の方法（１４００）。
8. 空中の前記干渉場内に前記複数の周波数倍音を生成することが、互いに干渉する第１の超音波を放出することを含み、前記第１の超音波が、互いに倍数の関係にあり且つ重畳された、少なくとも２つの基本周波数成分を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記干渉場の位置を調整することをさらに含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの空気結合式超音波トランスデューサを、前記物体から所定の距離内に位置させることをさらに含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。