特許 7183452 非接触非破壊検査システム、信号処理装置及び非接触非破壊検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-25

(45)【発行日】2022-12-05

(54)【発明の名称】非接触非破壊検査システム、信号処理装置及び非接触非破壊検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/14 20060101AFI20221128BHJP

【ＦＩ】

G01N29/14

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021571378

(86)(22)【出願日】2020-05-29

(86)【国際出願番号】 JP2020021460

(87)【国際公開番号】W WO2021240817

(87)【国際公開日】2021-12-02

【審査請求日】2021-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】碓井 隆

(72)【発明者】

【氏名】大野 博司

(72)【発明者】

【氏名】渡部 一雄

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１９４５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５５６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２３２３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１０８９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５１０２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１４９１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｈ １／００ － Ｇ０１Ｈ １７／００

Ｇ０１Ｎ ２９／００ ー Ｇ０１Ｎ ２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検査対象物を伝搬する第１の弾性波に起因して、前記検査対象物をとりまく媒質に放出される第２の弾性波を検出する第１のセンサと、
前記第１のセンサとは異なる位置に、前記第１のセンサとは異なる角度で配置され、前記第２の弾性波を検出する第２のセンサと、
前記第２の弾性波の速度と、前記第１及び第２のセンサのそれぞれによって検出された前記第２の弾性波の振幅比とに基づいて、前記第１の弾性波の速度を検出する速度検出部と、
前記第１の弾性波の速度に基づいて前記検査対象物の損傷を検出する損傷検出部と、
を備える非接触非破壊検査システム。

【請求項2】

前記第１のセンサは、制御信号に応じて前記第１のセンサの角度を調整する機構を備え、
前記第２の弾性波の振幅がより大きく検出される前記第１のセンサの角度を、前記第２の弾性波の波面角度として算出する算出部を更に備え、
前記第２のセンサは、制御信号に応じて前記第２のセンサの角度を調整する機構を備え、
前記第２の弾性波の振幅がより大きく検出される前記第２のセンサの角度を、前記第２の弾性波の波面角度として算出する算出部を更に備える、
請求項１に記載の非接触非破壊検査システム。

【請求項3】

前記第１及び第２のセンサは、異なる箇所に設置され、
前記損傷検出部は、前記第１及び第２のセンサによって検出された前記第２の弾性波の波面角度を示すベクトルの方向と、前記媒質中の音速と、前記第１の弾性波の速度とに基づいて、前記第１の弾性波を発生させた損傷部の位置を特定する、
請求項２に記載の非接触非破壊検査システム。

【請求項4】

前記第１のセンサは、前記検査対象物の材質に応じて定められた前記第１の弾性波の伝播速度に基づく角度と、検査対象の前記第１の弾性波の方向とを含む制御信号に応じて、前記第１のセンサの角度を調整する機構を備え、
前記第２のセンサは、前記検査対象物の材質に応じて定められた前記第１の弾性波の伝播速度に基づく角度と、検査対象の前記第１の弾性波の方向とを含む制御信号に応じて、前記第２のセンサの角度を調整する機構を備える、
請求項１に記載の非接触非破壊検査システム。

【請求項5】

異なる角度で配置された複数の部分センサを含むセンサアレイを備え、
前記複数の部分センサは、少なくとも前記第１及び第２のセンサを含み、
前記第２の弾性波の振幅がより大きく検出される前記部分センサの角度を、前記第２の弾性波の波面角度として算出する算出部を更に備える、
請求項１に記載の非接触非破壊検査システム。

【請求項6】

前記センサアレイは、異なる箇所に複数、設置され、
前記損傷検出部は、少なくとも２つの前記センサアレイによって検出された前記第２の弾性波の波面角度を示すベクトルの方向と、前記媒質中の音速と、前記第１の弾性波の速度とに基づいて、前記第１の弾性波を発生させた損傷部の位置を特定する、
請求項５に記載の非接触非破壊検査システム。

【請求項7】

前記検査対象物は板状であり、
前記損傷検出部は、前記検査対象物を伝播するＬａｍｂ波の速度分散特性と、前記第１の弾性波の速度とを比較することにより前記検査対象物の板厚を推定し、前記板厚から前記検査対象物の内部剥離及び減肉の少なくとも一方を検出する、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の非接触非破壊検査システム。

【請求項8】

前記損傷検出部は、前記第１の弾性波の速度から、前記Ｌａｍｂ波の伝搬モードを推定し、前記伝搬モードから前記検査対象物の損傷位置の深さを検出する、
請求項７に記載の非接触非破壊検査システム。

【請求項9】

検査対象物を伝搬する第１の弾性波に起因して、前記検査対象物をとりまく媒質に放出される第２の弾性波から、前記第１の弾性波の速度を検出する速度検出部と、
前記第１の弾性波の速度に基づいて前記検査対象物の損傷を検出する損傷検出部と、を備え、
前記第２の弾性波は、第１のセンサと、前記第１のセンサとは異なる位置に、前記第１のセンサとは異なる角度で配置された第２のセンサにより検出され、
前記速度検出部は、前記第２の弾性波の速度と、前記第１及び第２のセンサのそれぞれによって検出された前記第２の弾性波の振幅比とに基づいて、前記第１の弾性波の速度を検出する、
信号処理装置。

【請求項10】

第１のセンサが、検査対象物を伝搬する第１の弾性波に起因して、前記検査対象物をとりまく媒質に放出される第２の弾性波を検出するステップと、
前記第１のセンサとは異なる位置に、前記第１のセンサとは異なる角度で配置された第２のセンサが、前記第２の弾性波を検出するステップと、
信号処理装置が、前記第２の弾性波の速度と、前記第１及び第２のセンサのそれぞれによって検出された前記第２の弾性波の振幅比とに基づいて、前記第１の弾性波の速度を検出するステップと、
前記信号処理装置が、前記第１の弾性波の速度に基づいて前記検査対象物の損傷を検出するステップと、
を含む非接触非破壊検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は非接触非破壊検査システム、信号処理装置及び非接触非破壊検査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、高度経済成長期に建設された橋梁等の構造物の老朽化に伴う問題が顕在化してきている。万が一にも構造物に事故が生じた場合の損害は計り知れないため、構造物の状態を監視するための技術が従来から知られている。例えば内部亀裂の発生又は進展に伴い発生する弾性波を、高感度センサにより検出するアコースティック・エミッション（ＡＥ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）方式により、構造物の損傷を検出する技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－８５８５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の技術では、検査対象物の健全性を非接触で評価することが難しかった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の非接触非破壊検査システムは、センサと速度検出部と損傷検出部とを備える。第１のセンサは、検査対象物を伝搬する第１の弾性波に起因して、前記検査対象物をとりまく媒質に放出される第２の弾性波を検出する。第２のセンサは、前記第１のセンサとは異なる位置に、前記第１のセンサとは異なる角度で配置され、前記第２の弾性波を検出する。速度検出部は、前記第２の弾性波の速度と、前記第１及び第２のセンサのそれぞれによって検出された前記第２の弾性波の振幅比とに基づいて、前記第１の弾性波の速度を検出する。損傷検出部は、前記第１の弾性波の速度に基づいて前記検査対象物の損傷を検出する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】材料境界での音の反射及び透過を示す概念図。

【図2】透過音圧比及び反射音圧比と、音響インピーダンスとの関係を示す図。

【図3】第１実施形態のセンサの模式図。

【図4A】超音波センサの周波数（１０ｋＨｚの場合）と指向性の関係を示す図。

【図4B】超音波センサの周波数（２０ｋＨｚの場合）と指向性の関係を示す図。

【図4C】超音波センサの周波数（５０ｋＨｚの場合）と指向性の関係を示す図。

【図4D】超音波センサの周波数（１００ｋＨｚの場合）と指向性の関係を示す図。

【図5A】弾性波の伝搬に伴う空中への音波放射を説明するための図。

【図5B】弾性波の伝搬に伴う空中への音波放射を説明するための図。

【図6】アルミニウムプレートの速度分散特性の例を示す図。

【図7】第１実施形態の非接触非破壊検査システムの構成の例を示す図。

【図8】第１実施形態のセンサにより検出された波形の例を説明するための図。

【図9】第２実施携帯の非接触非破壊検査システムの構成について説明するための図。

【図10】第２実施形態の正規化振幅比を説明するための図。

【図11A】第３実施形態のセンサアレイの例を示す図。

【図11B】第３実施形態のセンサアレイの例を示す図。

【図12】第３実施形態の３次元位置標定の概念図。

【図13】第４実施形態の弾性波進行方向によるフィルタリングの概念図。

【図14】第４実施形態のセンサにより検出された波形の例を説明するための図。

【図15】第１乃至第４実施形態の信号処理装置のハードウェア構成の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に添付図面を参照して、非接触非破壊検査システム、信号処理装置及び非接触非破壊検査方法の実施形態を詳細に説明する。

【0008】

アコースティック・エミッションは、材料等の検査対象物の疲労亀裂の進展に伴い発生する弾性波である。ＡＥ方式では、この弾性波を、圧電素子を利用したＡＥセンサにより電圧信号（ＡＥ信号）として検出する。ＡＥ信号は、検査対象物の破断が生じる前の兆候として検出されるため、ＡＥ信号の発生頻度及び信号強度は検査対象物の健全性を表す指標として有用である。そのためＡＥ方式によって構造物の劣化の予兆を検出する技術の研究が盛んに行われている。特に石油タンクの腐食診断、及び、機械装置の製造工程等においては、欧米を中心にＡＥ方式の検出技術が幅広く使用され、またＡＥ方式の検出技術の標準化も行われている。

【0009】

ＡＥ法は、検査対象物中で発生した弾性波を接触型のセンサを用いて検出するため、構造物に直接センサを設置できない場合、適用することができない。例えば、工場ラインやドローンによる検査等、検査対象物と検査装置とが相対的に運動する場合などは、ＡＥ法の適用が難しい。他にも温度や、品質管理上の理由等でも直接のセンサ接触が困難な場合がある。また、非接触の場合は、外部から超音波を発生させて、検査対象物で反射、もしくは透過した信号の特性から損傷の有無を判別する方法が従来から知られているが、この場合でも、検査対象物中で発生した弾性波に関する情報は得ることができない。

【0010】

以下の第１実施形態では、検査対象物中を伝搬する弾性波の速度および方向を、非接触で検出し、検出された弾性波情報に基づき、検査対象物の健全性を評価する非接触非破壊検査システムについて説明する。

【0011】

（第１実施形態）
はじめに、音響インピーダンスについて説明する。音圧ｐと粒子速度ｕとの比を音響インピーダンスＺとして下記式（１）のように表現する。

【0012】

【数1】

【0013】

音響インピーダンスＺは、密度ρ及び音速ｖを使って、Ｚ＝ρｖと表すこともできる。密度ρ及び音速ｖは、材料に固有の値となるので、音響インピーダンスＺも材料固有の値を持つ。

【0014】

次に、材料境界での透過及び反射について説明する。

【0015】

図１は材料境界での音の反射及び透過を示す概念図である。音圧ｐ_ｉｎ及び粒子速度ｕ_ｉｎの音波が、密度ρ_１及び音速ｖ_１の媒質Ａから、密度ρ_２及び音速ｖ_２の媒質Ｂへ入射すると、音波の一部が、音圧ｐ_ｔｒ及び粒子速度ｕ_ｔｒの透過波として媒質Ｂへ透過し、音波の一部が、音圧ｐ_ｒｅｆ及び粒子速度ｕ_ｒｅｆの反射波として媒質Ａ及びＢの境界面で媒質Ａへ反射する。

【0016】

境界面の左右で音圧及び粒子速度は連続であるという条件から、音圧透過率Ｋ_ｔｒ及び音圧反射率Ｋ_ｒｅｆはそれぞれ、下記式（２）及び（３）で表される。

【0017】

【数2】

【0018】

【数3】

【0019】

音響インピーダンスは材料固有の値であり、代表的な数値が存在する。アルミニウムを媒質Ａとして例にとると、音響インピーダンスは１７．３ｅ－６［Ｎｓ／ｍ^３］である。音波が、アルミニウムとは異なる媒質Ｂへ入射した場合の音圧透過率Ｋ_ｔｒ及び音圧反射率Ｋ_ｒｅｆを図２に示す。

【0020】

図２は透過音圧比及び反射音圧比と、音響インピーダンスとの関係を示す図である。横軸は、媒質Ｂの音響インピーダンスを示す。縦軸は、反射、透過それぞれの音圧比を示す。例えば、媒質Ｂが空気である場合、その音響インピーダンスはおよそ０．０００４１［１０ｅ－６Ｎｓ／ｍ^３］である。このときの音圧透過率は４．７３９７７ｅ－５であり、音圧反射率は０．９９９９５３となる。エネルギーの透過損失は－１０ｌｏｇ_１０（１－Ｋ_ｒｅｆ ^２）＝－４０．２３［ｄＢ］である。すなわち、音波は、およそ４０ｄＢの透過損失で、金属（第１実施形態ではアルミニウム）から空気中へ透過する。

【0021】

次に、第１実施形態のセンサについて説明する。

【0022】

［センサの例］
図３は第１実施形態のセンサ１０の模式図である。空中に放射される音波を検出する非接触のセンサ１０として、例えば圧電素子で構成される空中超音波センサがある。第１実施形態のセンサ１０は、整合層１１、圧電素子１２及び背面層１３を備える。

【0023】

圧電素子１２の音響インピーダンスと、空気の音響インピーダンスには大きな差があるため、センサ１０には、両者の中間的な音響インピーダンスを有する整合層１１が設けられている。

【0024】

代表的な圧電材料の音響インピーダンスは、例えば約３０［１０ｅ－６Ｎｓ／ｍ３］である。また、空気の音響インピーダンスは０．０００４１［１０ｅ－６Ｎｓ／ｍ３］である。整合層１１には、両者の中間的な値をとる整合材として、音響インピーダンスが２～３［１０ｅ－６Ｎｓ／ｍ３］である樹脂材料（例えばエポキシ樹脂等）が使用される場合が多い。

【0025】

また、第１実施形態のセンサ１０では、圧電素子１２の後方で反射して発生するリンギングを抑制するために、圧電素子１２と同等の音響インピーダンスを有する背面層１３が設置されている。

【0026】

このようなセンサ１０の指向性は、おおまかには、無限大の剛壁中に埋め込まれ、速度ｖ、角周波数ωで振動する半径ａ_０の円板Ｓの作る音場の問題として考えることができる。円板上の微小面積ｄＳにおける点ａ、空間上の点ｂとすると、点ｂで観測される音圧ｐは以下のレイリー積分で表すことができる。

【0027】

【数4】

【0028】

［音場シミュレーション結果の例］
円板の半径を２０ｍｍ、円盤の速度を１０ｍ／ｓ、音速を３４０ｍ／ｓ、媒質（空気）の密度を１．２９３ｋｇ／ｍ^３とし、周波数を１０ｋＨｚ，２０ｋＨｚ，５０ｋＨｚ，１００ｋＨｚと変化させた場合の音場シミュレーション結果を図４Ａ～Ｄに示す。ｘ＝０は、円板の中心を示し、ｚは円板からの距離を示す。上述の式（４）及び、図４Ａ～Ｄの結果から、周波数が高くなるほど、指向性が高まることがわかる。特に１００ｋＨｚでは、Ｚ＝２００ｍｍの距離でも、１００ｋＨｚより低い周波数の場合に比べて高い音圧を維持している。センサ１０としては、Ｚ＝２００ｍｍの距離に音源があった場合、高い感度で振動板を揺らすこと（すなわち、センシング）が可能であると考えることができ、図４Ｄの音場シミュレーション結果と同様の指向性を持つことが分かる。

【0029】

次に、弾性波の伝搬に伴う空中への音波放射について説明する。

【0030】

図５Ａのように、固体（検査対象物２００）中を速度ｖ_ａｅで伝搬する弾性波から放射する音波を考える。振動する粒子が点音源となり空気中に音波を放出し、空気中では音速ｖ_ａｉｒで拡散する。点音源は速度ｖ_ａｅで固体中を移動する。時間ｔからｔ’だけ時間が経過した場合、移動した点音源が作り出す音波は、図５Ｂのように、水平面から下記式（５）の角度θだけ傾いた線上で同位相となる波面を形成する。

【0031】

【数5】

【0032】

検査対象物２００の一例として、厚さ３ｍｍのアルミニウムプレートを例に考える。固体材料の場合、弾性波には、縦波（ｓ波）及び横波（ｓ波）の２種類がある。薄板の場合は、端面での反射によって反射ｐ波及び反射ｓ波が励起され、全体としてＬａｍｂ波と呼ばれるガイド波を形成することが知られている。波動方程式に境界条件を設けることによって、このガイド波を求めることができる。なお、固体材料の弾性波は、周波数に応じて伝搬速度が変化する速度分散特性を有する。

【0033】

図６はアルミニウムプレートの速度分散特性の例を示す図である。図６の例は、厚さ３ｍｍのアルミニウムプレートに対して、速度分散特性を計算した結果を示す。アルミニウムプレートが対称に変形するモードはＳ（Ｓｙｍｍｅｔｒｙ）モード、非対称に変形するモードはＡ（Ａｎｔｉ－ｓｙｍｍｅｔｒｙ）モードと呼ばれ、次数が大きくなるほど周波数が高い。図６では最低次のモード（Ｓ０モード及びＡ０モード）のみを表示している。

【0034】

一般的に、Ｓモードは速度が速いが振幅が小さく、Ａモードは速度が遅く、振幅が大きいという特徴がある。弾性波の周波数が１００ｋＨｚの場合、Ａ０モードの伝搬速度ｖ_{ｌａｍｂ＿Ａ０}は１５３０ｍ／ｓである。このときの波面角度θ_ａｉｒは、空気中の音速ｖ_ａｉｒに３４０．２９ｍ／ｓを用いると、上述の式（５）より、下記式（６）のように導くことができる。

【0035】

【数6】

【0036】

以上のことから、固体中の弾性波伝搬に伴い周囲の媒質中に音波が発生し、その放射角度（波面角度）が、固体中の伝搬速度と、空気中の音速比とによって決まる、ということが分かる。

【0037】

次に、第１実施形態の非接触非破壊検査システムの構成について説明する。

【0038】

［非接触非破壊検査システムの構成の例］
図７は第１実施形態の非接触非破壊検査システム１００の構成の例を示す図である。第１実施形態の非接触非破壊検査システム１００は、センサ１０及び信号処理装置２０を備える。

【0039】

検査対象物２００の損傷部２０１から、き裂進展等に伴うＡＥが発生すると、固体中をＡＥが伝搬する。伝搬に伴い所定の波面角度を有する音波が二次的に放射される。放出された音波はセンサ１０で観測される。

【0040】

センサ１０は、制御信号に応じてセンサ１０の角度を調整する機構を備える。例えば、センサ１０は、信号処理装置２０からの制御信号に応じてセンサ１０を回転させる回転機構を備える。この回転機構によって、音波を検出するセンサ１０の角度が調整される。音波の観測周波数は１００ｋＨｚ以上が望ましい。センサ１０の圧電素子は空中に放射される音波を検出し、電圧信号を生成する。検出された電圧信号の波形の例を図８に示す。

【0041】

図８は第１実施形態のセンサ１０により検出された波形の例を説明するための図である。波形２１１は、検査対象物２００の位置２０２に接触型センサを配置した場合に検出される波形を示す。波形２１２は、センサ１０によって検出された波形を示す。センサ１０は非接触センサのため、センサ１０によって検出される波形２１２の変化は、位置２０２に配置された接触型センサにより検出される波形２１１よりも遅れて変化する。

【0042】

図７に戻り、信号処理装置２０は、増幅器２１、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）２２、振幅検出部２３、算出部２４及び速度検出部２５を備える。なお、増幅器２１及びＢＰＦ２２は、信号処理装置２０の外部の装置に備えられていてもよい。

【0043】

増幅器２１は、センサ１０から受信した電圧信号を４０ｄＢ～８０ｄＢ程度増幅し、増幅された電圧信号をＢＰＦ２２へ送信する。

【0044】

ＢＰＦ２２は、増幅器２１から受信した電圧信号から観測帯域外の雑音を除去し、雑音が除去された電圧信号を振幅検出部２３に入力する。

【0045】

振幅検出部２３は、ＢＰＦ２２から入力された電圧信号から振幅情報を検出し、当該振幅情報を振幅検出部２３に入力する。

【0046】

算出部２４は、振幅検出部２３から入力された振幅情報を基に、振幅がより大きく検出されるセンサ１０の角度を、波面角度θ_ａｉｒとして算出する。例えば、算出部２４は、センサ１０の回転機構を制御して、センサ１０を回転させ、ＡＥ信号の振幅が最大の感度となる角度を、波面角度θ_ａｉｒとして算出する。また例えば、算出部２４は、複数回のＡＥ信号の平均値が最大となる角度を波面角度θ_ａｉｒとして算出する。算出部２４は、算出された波面角度θ_ａｉｒを速度検出部２５に入力する。

【0047】

速度検出部２５は、算出部２４から入力された波面角度θ_ａｉｒと、空気中の音速ｖ_ａｉｒとを上述の式（５）に代入することにより、検査対象物２００内の弾性波の速度ｖ_ａｅを検出する。

【0048】

なお、波面角度θ_ａｉｒが演算の過程に含まれる場合は明示的に算出しなくてもよく、結果として弾性波の速度ｖ_ａｅが検出されてもよい。

【0049】

検査対象物２００の形状が薄板等の板状である場合は、前述したＬａｍｂ波の速度分散特性と、弾性波の速度ｖ_ａｅとの比較から、検査対象物２００の板厚を推定することもできる。板厚の推定によって、内部剥離及び減肉などの損傷を検出することができる。

【0050】

また、Ｌａｍｂ波理論に基づき、弾性波の速度ｖ_ａｅを伝搬モード（例えばＡ０モード及びＳ０モード等）の特定に応用することもできる。ＡＥを発生させた損傷部２０１が板厚の中央部付近に存在する場合は、伝搬モードは対象となり、Ｓ０モードが励起されることが知られている。一方で、表面付近の損傷部２０１でＡＥが発生した場合はＡ０モードが支配的となる。このように、深さ方向位置は伝搬モードと関連があるため、弾性波の速度ｖ_ａｅから伝搬モードを特定することで、深さ方向位置の特定も可能になる。損傷検出部２６は、弾性波の速度ｖ_ａｅから、Ｌａｍｂ波の伝播モードを推定し、伝搬モードから検査対象物２００の損傷位置の深さを検出する。

【0051】

また、波面角度θ_ａｉｒを示すベクトルの方向が分かることで、同時にＡＥが伝搬する弾性波の方向（位置２０２に到来するＡＥの伝搬方向）を知ることができる。損傷検出部２６が、例えば離間して配置された、少なくとも２つのセンサ１０の波面角度θ_ａｉｒを示すベクトルの方向から、各地点に到来するＡＥの伝搬方向を特定することで、ＡＥ発生源（損傷部２０１）の２次元位置標定が可能となる。

【0052】

以上、説明したように、第１実施形態の非接触非破壊検査システム１００では、センサ１０が、検査対象物２００を伝搬するＡＥ（第１の弾性波）に起因して、検査対象物２００をとりまく媒質（第１実施形態では、空気）に放出される音波（第２の弾性波）を検出する。速度検出部２５が、第２の弾性波の波面角度θ_ａｉｒと、第２の弾性波の速度ｖ_ａｉｒとから、第１の弾性波の速度ｖ_ａｅを検出する。そして、損傷検出部２６が、第１の弾性波の速度ｖ_ａｅに基づいて検査対象物２００の損傷を検出する。

【0053】

これにより第１実施形態によれば、検査対象物２００の健全性を非接触で評価することができる。例えば、第１実施形態は、従来ＡＥ法の適用が困難であった、回転体及び移動体など、相対的に運動する部材のＡＥ検査にも広く適用が可能である。また例えば、ドローン等の飛行体に、センサ１０を搭載することで、大型構造物へ遠隔からのＡＥ検査も可能となる。また例えば、道路を走行する車両、及び、レールを走行する鉄道車両などへセンサ１０を搭載することで、路面及び線路等のＡＥ検査を行うことも可能である。

【0054】

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。第２実施形態の説明では、第１実施形態と同様の説明については省略し、第１実施形態と異なる箇所について説明する。第２実施形態では、２つのセンサ１０により検出された弾性波の振幅比（第２実施形態では、正規化振幅比）を利用して弾性波の速度ｖ_ａｅを算出する構成について説明する。

【0055】

［非接触非破壊検査システムの構成の例］
図９は第２実施形態の非接触非破壊検査システムの構成について説明するための図である。第２実施形態の非接触非破壊検査システムは、センサ１０ａ～１０ｂ、増幅器２１ａ～２１ｂ、及び、演算部３１～３３を備える。

【0056】

センサ１０ａ及び１０ｂは、異なる位置に配置され、センサ１０ａ及び１０ｂの角度（最大感度方向）は異なる。

【0057】

第２実施形態の速度検出部２５は、センサ１０ａ及び１０ｂのセンサのそれぞれによって検出された音波（第２の弾性波）の振幅比に基づいて、ＡＥ（第１の弾性波）の速度を検出する。具体的には、速度検出部２５は、下記式（７）により、弾性波の速度ｖ_ａｅを算出する。なお、係数ｋは、センサ１０ａ及び１０ｂの指向性、および角度条件に基づいて事前にキャリブレーションされる定数である。

【0058】

【数7】

【0059】

上記式（７）に含まれる正規化振幅比を計算する構成について説明する。増幅器２１ａは、センサ１０ａから受信した電圧信号を増幅する。同様に、増幅器２１ｂは、センサ１０ｂから受信した電圧信号を増幅する。演算部３１は、増幅器２１ａ及び２１ｂから電圧信号を受け付け、正規化振幅比の分子を計算する。演算部３２は、増幅器２１ａ及び２１ｂから電圧信号を受け付け、正規化振幅比の分母を計算する。演算部３３は、演算部３１及び３２から演算結果を受け付け、正規化振幅比を計算し、当該正規化振幅比を速度検出部２５に入力する。

【0060】

図１０は第２実施形態の正規化振幅比ｒを説明するための図である。ｋは上述の係数であり、－ａはセンサ１０ａの角度であり、＋ａはセンサ１０ｂの角度である。正規化振幅比ｒは、θ＝－ａで最大になり、θ＝＋ａで最小になる。

【0061】

第２実施形態によれば、センサ１０ａ及び１０ｂのそれぞれにより検出された電圧信号の正規化振幅比ｒから、上記式（７）によって直接、弾性波の速度ｖ_ａｅを算出することができる。

【0062】

（第３実施形態）
次に第３実施形態について説明する。第３実施形態の説明では、第１実施形態と同様の説明については省略し、第１実施形態と異なる箇所について説明する。第３実施形態では、最大感度方向を変化させた複数のセンサ１０（部分センサ）を配列させたセンサアレイによって、弾性波を検出する場合について説明する。

【0063】

図１１Ａは第３実施形態のセンサアレイ４０ａの例を示す図である。図１１Ａのセンサアレイ４０ａでは、検査対象物２００に対して、複数のセンサ１０が円周上に配置される。最大感度方向が素子毎に異なっていればよく、必ずしも円周上でなくてもよい。なお、配置されるセンサ１０の個数は任意でよい。

【0064】

図１１Ｂは第３実施形態のセンサアレイ４０ｂの例を示す図である。図１１Ｂのセンサアレイ４０ｂでは、検査対象物２００に対して平行な直線上に、異なる向きの複数のセンサ１０が配置される。なお、配置されるセンサ１０の個数は任意でよい。

【0065】

図１１Ａ及びＢに示すように、あらかじめ角度をつけた複数のセンサ１０を配置し、算出部２４が、弾性波の振幅がより大きく検出されるセンサ１０の角度を最適な傾斜角度として求めることで、１回発生したＡＥ波から波面角度θ_ａｉｒを検出できる。図１１Ａ及びＢの場合、センサアレイ４０ａ及び４０ｂの内、その最大感度方向が、放射角度と一致しているセンサ１０ｃにおいて、検出される信号の振幅が最大となり、センサ１０ｃの角度が放射角度であると求めることができる。

【0066】

また、複数のセンサアレイ４０ａ（又はセンサアレイ４０ｂ）を異なる箇所に配置して、損傷部２０１の３次元位置を特定することができる。具体的には、損傷検出部２６は、例えば少なくとも２つのセンサアレイ４０ａによって検出された音波（第２の弾性波）の波面角度θ_ａｉｒを示すベクトルの方向と、空気中の音速と、検査対象物２００内の弾性波伝搬速度に基づいて、ＡＥ（第１の弾性波）を発生させた損傷部２０１の位置を特定する。

【0067】

図１２は第３実施形態の３次元位置標定の概念図である。図１２の例は、半球面上に配置された複数のセンサ１０を有する２つのセンサアレイ４０ａ－１及び４０ａ－２を利用して、３次元位置標定をする場合を示す。材料等の検査対象物２００の内部の損傷部２０１で発生したＡＥは、空気中へ放射される。損傷検出部２６は、センサアレイ４０ａ－１及び４０ａ－２で検出された放射角度と、空気中の音速と、検査対象物２００内の弾性波伝搬速度に基づいて、検査対象物２００内の伝搬ベクトル２０３ａ及び２０３ｂを算出する。図１２のように、２つの伝搬ベクトル２０３ａ及び２０３ｂの交点として、損傷部２０１の位置を検出する。

【0068】

第３実施形態によれば、センサアレイ４０ａ又は４０ｂを利用して、波面角度θ_ａｉｒの検出、及び、損傷部２０１の位置を検出できる。なお、損傷部２０１の位置は、各設置場所に、傾斜角度を調整する機構を備えるセンサ１０を１つずつ配置することによって特定してもよい。

【0069】

（第４実施形態）
次に第４実施形態について説明する。第４実施形態の説明では、第１実施形態と同様の説明については省略し、第１実施形態と異なる箇所について説明する。第４実施形態では、センサ１０を弾性波のフィルタリングに応用する場合について説明する。

【0070】

第４実施形態のセンサ１０は、検査対象物２００の材質に応じて定められたＡＥ（第１の弾性波）の伝播速度に基づく角度と、検査対象の第１の弾性波の方向とを含む制御信号に応じて、センサ１０の角度を調整する機構を備える。

【0071】

また、第４実施形態の算出部２４は、材質毎の弾性波の伝搬速度が記憶されたルックアップテーブルを参照して、検査対象物２００の材質に応じてセンサ１０を所定の角度（最適な傾斜角度）に傾斜させる機能を更に有する。センサ１０の傾斜角度が検査対象物２００の材質に応じて決定され、センサ１０が、検査対象の弾性波の方向に基づいてプラス又はマイナス方向に傾斜させられることで、弾性波のフィルタリングをすることができる。具体的には、算出部２４は、例えば信号処理装置２０の通信ＩＦを利用して、上述の制御信号をセンサ１０に送信することで、センサ１０の角度を調整する。

【0072】

図１３は第４実施形態の弾性波進行方向によるフィルタリング（方向性フィルタリング）の概念図である。図１３の左向き進行波は、右向き進行波が検査対象物２００の端部で反射することによって生じた場合の例を示す。図１３のように、センサ１０の角度を傾斜させる方向によって、検出される弾性波の進行方向を選択することが可能となる。

【0073】

図１４は、第４実施形態のセンサ１０により検出された波形の例を説明するための図である。波形２２１は、参考のため図１３のように接触型センサを検査対象物２００に配置した場合に検出される波形である。波形２２２は、検査対象物２００に、センサ１０を＋ａ傾斜させて配置した場合に検出される波形である。波形２２２は、検査対象物２００を伝搬する右向き進行波に起因して空気中に放出された音波を含み、左向き進行波に起因して空気中に放出された音波は含まない。一方、波形２２３は、検査対象物２００に、センサ１０を－ａ傾斜させて配置した場合に検出される波形である。波形２２３は、検査対象物２００を伝搬する左向き進行波に起因して空気中に放出された音波を含み、右向き進行波に起因して空気中に放出された音波は含まない。

【0074】

第４実施形態によれば、例えば検査対象物２００の特定の方向にノイズ発生源が存在する場合には、ノイズ発生源からのノイズを検出しないようにセンサ１０を傾斜させることによって、フィルタリングの効果が得られる。同様の原理によって、反射波のフィルタリング、速度によるフィルタリング、及び、伝搬モードによるフィルタリングが可能である。

【0075】

最後に、第１乃至第４実施形態の信号処理装置２０のハードウェア構成の例について説明する。

【0076】

［ハードウェア構成の例］
図１５は第１乃至第４実施形態の信号処理装置２０のハードウェア構成の例を示す図である。

【0077】

信号処理装置２０は、制御装置３０１、主記憶装置３０２、補助記憶装置３０３、表示装置３０４、入力装置３０５及び通信装置３０６を備えるコンピュータである。制御装置３０１、主記憶装置３０２、補助記憶装置３０３、表示装置３０４、入力装置３０５及び通信装置３０６は、バス３１０を介して接続されている。

【0078】

制御装置３０１は、補助記憶装置３０３から主記憶装置３０２に読み出されたプログラムを実行する。主記憶装置３０２は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及び、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリである。補助記憶装置３０３は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、及び、メモリカード等である。

【0079】

表示装置３０４は表示情報を表示する。表示装置３０４は、例えば液晶ディスプレイ等である。入力装置３０５は、コンピュータを操作するためのインタフェースである。入力装置３０５は、例えばキーボードやマウス等である。コンピュータがタブレット型端末等のスマートデバイスの場合、表示装置３０４及び入力装置３０５は、例えばタッチパネルである。

【0080】

通信装置３０６は、他の装置と通信するためのインタフェースである。なお、信号処理装置２０は、表示装置３０４及び入力装置３０５を備えていなくてもよく、通信装置３０６を介して通信可能な外部の端末の表示機能及び入力機能が利用されてもよい。

【0081】

コンピュータで実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、メモリカード、ＣＤ－Ｒ及びＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記録されてコンピュータ・プログラム・プロダクトとして提供される。

【0082】

またコンピュータで実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。またコンピュータで実行されるプログラムをダウンロードさせずにインターネット等のネットワーク経由で提供するように構成してもよい。

【0083】

またコンピュータで実行されるプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

【0084】

コンピュータで実行されるプログラムは、上述の信号処理装置２０の機能構成（機能ブロック）のうち、プログラムによっても実現可能な機能ブロックを含むモジュール構成となっている。当該各機能ブロックは、実際のハードウェアとしては、制御装置３０１が記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより、上記各機能ブロックが主記憶装置３０２上にロードされる。すなわち上記各機能ブロックは主記憶装置３０２上に生成される。

【0085】

なお上述した各機能ブロックの一部又は全部をソフトウェアにより実現せずに、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよい。

【0086】

また複数のプロセッサを用いて各機能を実現する場合、各プロセッサは、各機能のうち１つを実現してもよいし、各機能のうち２つ以上を実現してもよい。

【0087】

また信号処理装置２０を実現するコンピュータの動作形態は任意でよい。例えば、信号処理装置２０を１台のコンピュータにより実現してもよい。また例えば、信号処理装置２０を、ネットワーク上のクラウドシステムとして動作させ、複数のセンサ１０から信号を受け付けてもよい。

【0088】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】