KR101180151B1 - Measuring method of poisson's ratio and measuring apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
레이저 초음파법에 있어서, 피검사체의 표면에 데미지를 주지 않으며, 레이저의 조사 흔적이 생기지 않는 열탄성 효과에 의한 초음파 여기를 이용한 프와송비의 계측 방법 및 계측 장치를 제공한다.
피검사체의 표면에 펄스 레이저광을 조사하여 열탄성 효과에 의해 초음파를 발생시키고, 그 피검사체의 표면에 연속파 레이저광을 조사하고 그 피검사체를 전파하는 초음파를 수신하여 피검사체의 프와송비를 계측하는 방법으로서, 피검사체를 전파하는 판파 초음파와 표면파 초음파를 수신하여, 상기 판파 초음파의 주파수를 산출하고, 상기 표면파 초음파의 전파 시간을 계측하고, 그 전파 시간과 전파 거리로부터 그 표면파 초음파의 전파 속도를 산출하고, 상기 판파 초음파의 주파수와 상기 표면파 초음파의 전파 속도에 기초하여 상기 피검사체의 프와송비를 산출하는 것을 특징으로 하는 프와송비의 계측 방법.
판파 초음파, 표면파 초음파, 프와송비
In the laser ultrasound method, a method and a measuring device for measuring Poisson's ratio using ultrasonic excitation by a thermoelastic effect in which no damage is caused to the surface of the inspected object and no trace of laser irradiation is provided.
By irradiating pulsed laser light on the surface of the test object, ultrasonic waves are generated by the thermoelastic effect.The continuous wave laser light is irradiated on the surface of the test object, and the ultrasonic wave propagating through the test object is received to determine the Poisson's ratio of the test object. As a measuring method, a plate wave ultrasonic wave and surface wave ultrasonic wave propagating to a subject under test are received, the frequency of the plate wave ultrasonic wave is calculated, the propagation time of the surface wave ultrasonic wave is measured, and the surface wave ultrasonic wave propagates from the propagation time and the propagation distance. A speed is calculated, and the Poisson's ratio is calculated based on the frequency of the said wave-wave ultrasonic wave and the propagation speed of the said surface wave ultrasonic wave.
Plate Wave Ultrasound, Surface Wave Ultrasound, Poisson's Ratio
Description
본 발명은, 레이저를 이용하여 비접촉으로 피검사체에 초음파를 발생시키는 레이저 초음파법에 있어서, 열탄성 효과를 이용하여 피검사체의 표면에 데미지를 주지 않고 초음파를 발생시켜 프와송비를 계측하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of measuring the Poisson's ratio by generating ultrasonic waves without damaging the surface of an inspected object by using a thermoelastic effect in a laser ultrasonic method in which ultrasonic waves are generated in a non-contact manner using a laser. It is about.
프와송비는 재료에 응력을 주었을 때의 가로변형과 세로변형의 비이며, 탄성변형 영역에서의 변형을 파악하는데 있어서 영률 등과 같이 중요한 재료의 강도 지표이다. 프와송비를 적절히 조정함으로써 강도의 편차가 적은 재료를 제조할 수 있다. 이러한 관점에서, 프와송비를 계측하는 것은 중요한 의미를 갖는다.Poisson's ratio is the ratio of transverse and longitudinal strain when stress is applied to the material, and is an important index of strength of the material, such as Young's modulus, in grasping the strain in the elastic deformation region. By appropriately adjusting the Poisson's ratio, a material with less variation in strength can be produced. In this respect, measuring Poisson's ratio has an important meaning.
일반적으로, 프와송비는 인장 시험을 통해 구해진다. 즉, 재료로부터 인장 시험편을 절삭 가공하고, 변형 게이지를 접합하고, 인장 시험기로 일정한 속도로 인장하여, 인장 방향의 변형 및 그 수직방향의 변형을 계측함으로써 프와송비를 구한다.In general, Poisson's ratio is obtained through a tensile test. That is, a Poisson's ratio is calculated | required by cutting a tensile test piece from a material, joining a strain gauge, pulling it at a constant speed with a tensile tester, and measuring the strain of the tension direction and the strain of the perpendicular direction.
그러나 이 방법은 시험기의 하중 계측 정밀도나, 시험편을 인장 시험기에 부착할 때에 발생하는 초기 변형의 영향이 계측 정밀도에 영향을 준다. 또한 인장 시 험은 파괴적 시험 방법이므로, 실물에 대해서는 프와송비를 계측할 수 없다는 결점이 있다.However, in this method, the measurement accuracy of the tester and the influence of the initial deformation occurring when the test piece is attached to the tensile tester affect the measurement accuracy. In addition, since the tensile test is a destructive test method, the Poisson's ratio cannot be measured for the real object.
지금까지 비파괴적으로 피검사체의 프와송비를 계측하는 방법이 몇 가지 제안되었다. 예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 피검사체에 초음파 탐촉자로부터 초음파를 입사하고, 접촉식 초음파 탐촉자를 이용하여 피검사체를 전파하는 초음파의 종파 음속 및 횡파 음속(이하, 각각 간단히 종파 음속 및 횡파 음속이라 함)을 계측하고, 계측한 종파 음속과 횡파 음속 및 피검사체의 밀도로부터 영률 및 프와송비를 계측하는 방법이 개시되어 있다. 이들 방법은, 실물을 파괴하지 않고도 실물의 영률, 프와송비를 계측할 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 접촉식 계측법인 경우, 계측의 고속화의 관점으로부터 약간의 어려움이 있다.Several methods for non-destructively measuring the Poisson's ratio of a subject have been proposed. For example,
예를 들어, 압전 탐촉자를 사용하는 방법은, 피검사체와 변환기 사이에 초음파의 전파 매체가 필요하지만, 전파 매체는 고온 하에서 그 기능이 저하된다. 또한, 전자 초음파 탐촉자를 사용하는 방법은, 그 탐촉자를 통상 수mm정도까지 피검사체에 근접시킬 필요가 있다. 그러므로, 어떤 방법이어도, 예를 들어, 강판의 제조 라인이나, 특히 열간 압연 공정과 같이 열악한 환경 하에서 사용하는 것은 불가능하다는 결점이 있다.For example, the method of using a piezoelectric transducer requires an ultrasonic wave propagation medium between the inspected object and the transducer, but the radio wave medium deteriorates its function at high temperatures. Moreover, in the method of using an electromagnetic ultrasonic transducer, it is necessary to bring the transducer close to the inspected object to about several mm normally. Therefore, any method has a drawback that it is impossible to use it in a harsh environment, such as a manufacturing line of a steel plate, especially a hot rolling process.
한편, 펄스 레이저를 이용하여 초음파를 발생시켜 피검사체 내부에 전파한 초음파를, 연속파 레이저를 이용하여 검출하는, 비접촉식 계측 방법(이하, 레이저 초음파법)에 대해 여러 가지 응용이 제안되고 있다.On the other hand, various applications have been proposed for the non-contact measuring method (hereinafter referred to as laser ultrasonic method) in which ultrasonic waves are generated using pulse lasers and the ultrasonic waves propagated inside the inspected object are detected using a continuous wave laser.
예를 들어, 본 발명자들은 특허문헌 3 내지 6에서, 검사 대상물 내부의 결함 검출 장치 및 온라인 결정입경 측정 장치와 관련된 발명을 제안했다.For example, the present inventors proposed the inventions related to the defect detection apparatus and the on-line grain size measuring apparatus in the test object in patent documents 3-6.
레이저 초음파법에 의한 프와송비의 계측 방법에 대해서는, 비특허문헌 1에서, 애블레이션(ablation)에 의한 초음파 여기를 이용한 프와송비, 종파 음속 및 횡파 음속의 계측 방법이 보고되고 있다.About the measuring method of the poisson's ratio by the laser ultrasonic method, the
비특허문헌 1에는, 피검사체에 플루언스(단위면적 당 에너지량) 약 5.1mJ/mm2의 펄스 출력의 Q-스위치 Nd:YAG 레이저광을 조사하여 초음파 여기하고, 발생된 판파 초음파의, 군속도 제로인 S1 모드의 주파수(이하, S1f), 군속도 제로인 A2 모드의 주파수(이하, A2f)를 연속파 출력의 2배파 Nd:YAG 레이저를 이용하여 검출하고, 그 값으로부터 프와송비, 종파 음속, 횡파 음속을 산출한 실험 결과가 기재되어 있다.Non-Patent
비접촉식 레이저 초음파법은, 비파괴적인 인장 시험이 불필요하므로, 고속성, 고신뢰성이 요구되는, 제조 라인에 있어서 온라인에서의 비파괴 검사로서 여러 가지의 응용이 기대된다.Since the non-contact laser ultrasonic method does not require a non-destructive tensile test, various applications are expected as an on-line non-destructive test in a production line requiring high speed and high reliability.
레이저에 의해 초음파를 여기하는 방법으로는, 고에너지 레이저광을 피검사체의 표면에 조사해, 순간적 온도 상승에 의한 열탄성 효과에 의해 초음파를 여기하는 방법과, 더 높은 에너지로 피검사체의 표면의 일부를 기화(애블레이션)시켰을 때에 발생하는 압력파를 이용하여 초음파를 여기하는 방법이 있다.As a method of exciting an ultrasonic wave with a laser, a method of irradiating high energy laser light to the surface of an inspected object and exciting the ultrasonic wave by a thermoelastic effect caused by an instantaneous temperature rise, and part of the surface of the inspected object with higher energy There is a method of exciting ultrasonic waves using a pressure wave generated when vaporizing (ablation).
도 1a에, 애블레이션을 이용한 초음파 여기의 원리를 모식적으로 나타내고, 도 1b에 열탄성 효과를 이용한 초음파 여기의 원리를 모식적으로 나타낸다.The principle of the ultrasonic excitation using ablation is schematically shown in FIG. 1A, and the principle of the ultrasonic excitation using the thermoelastic effect is schematically shown in FIG. 1B.
도 1a에 나타내는 바와 같이, 대상물(1)에 대해 레이저광(2)을 조사하면, 높은 에너지에 의해 대상물의 일부가 증발한다(도면 중 3 참조). 이 때, 반력으로 발생하는 압력파로서 초음파(4)가 발생한다. 여기서, 도면 중 초음파(4)의 화살표는, 발생하는 초음파의 지향성을 나타낸다. 대상물(1)의 표면에는, 대상물의 일부가 증발하는 것에 의해 레이저광의 조사 흔적이 생긴다.As shown in FIG. 1A, when the
도 1b에 나타내는 바와 같이, 대상물(1)에 대해 레이저광(2)을 조사하면, 레이저에 의한 급속 가열에 의해, 순간적으로 대상물(1)의 표면의 온도가 상승하여 온도 상승 영역(5)이 형성되고, 온도 상승 영역(5)에서의 열팽창과 수축에 수반하여 초음파(4)가 발생한다. 여기서, 도면 중 초음파(4)의 화살표는, 발생하는 초음파의 지향성을 나타낸다.As shown in FIG. 1B, when the
단, 강재에 조사하는 경우, 플루언스 약 2mJ/mm2 이하이면, 대상물에 애블레이션에 의한 조사 흔적은 생기지 않는다.However, when irradiating steel materials, if it is about 2 mJ / mm <2> of fluences, the trace of irradiation by an ablation will not generate | occur | produce in an object.
예를 들어, 비특허문헌 1에 기재된, 종래의 레이저 초음파법에 의한 프와송비의 계측 기술에 있어서는, 애블레이션에 의한 초음파 여기를 이용하고 있지만, 애블레이션에 의해 피검사체의 표면에 조사 흔적이 생긴다. 따라서, 조사 흔적을 허용하지 않는 용도에서는, 이 방법에 의한 계측은 불가능하여, 용도가 한정되어 버리는 문제가 있다.For example, in the measurement technique of the Poisson's ratio by the conventional laser ultrasonic method described in
그러나, 마찬가지의 계측을, 열탄성 효과에 의한 초음파 여기를 이용하여 행하고자 하는 경우, 발생한 초음파의 검출이 어려워, 판파 초음파의 A2f 계측을 할 수 없다는 문제가 있다. 즉, 초음파 전파의 지향성의 차이에 의해, 열탄성 효과를 이용한 초음파 여기로는 초음파의 검출이 어려우며, 특히, S/N가 나쁜 A2f의 계측은 사실상 불가능하다.However, when the same measurement is to be performed using ultrasonic excitation by the thermoelastic effect, it is difficult to detect the generated ultrasonic waves, and there is a problem that A2f measurement of the plate wave ultrasonic waves cannot be performed. That is, due to the difference in the directivity of the ultrasonic wave propagation, it is difficult to detect the ultrasonic wave by the ultrasonic excitation using the thermoelastic effect, and in particular, measurement of A2f with poor S / N is virtually impossible.
열탄성 효과에 의한 초음파 여기의, 초음파 전파의 지향성에 대해서는, 예를 들어 비특허문헌 2에 기재되어 있다.
* 선행기술 문헌 *Prior art literature
<특허문헌><Patent Literature>
특허문헌 1: 일본특허공개 평 5-133861호 공보Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-133861
특허문헌 2: 일본특허공개 평 5-126805호 공보Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-126805
특허문헌 3: 일본특허공개 2003-121423호 공보Patent Document 3: Japanese Patent Publication No. 2003-121423
특허문헌 4: 일본특허공개 2003-215110호 공보Patent Document 4: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-215110
특허문헌 5: 일본특허공개 2004-125615호 공보Patent Document 5: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-125615
특허문헌 6: 일본특허공개 2006-084392호 공보Patent Document 6: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-084392
<비특허문헌><Non-patent Document>
비특허문헌 1: Dominique Clorennec, etc, ‘Local and non-contact measurements of bulk acoustic wave velocities in thin isotropic plates and shells using zero group velocity Lamb modes’ , Journal of Applied Physics, 101, 034908, 2007.[Non-Patent Document 1] Dominique Clorennec, et., 'Local and non-contact measurements of bulk acoustic wave velocities in thin isotropic plates and shells using zero group velocity Lamb modes', Journal of Applied Physics, 101, 034908, 2007.
비특허문헌 2: C.B.Scruby and L.E.Drain, “Laser Ultrasonic-Techniques and Applications”, ISBN0-7503-0050-7, Adam Hilger, p.289, 1990[Non-Patent Document 2] C.B. Scruby and L.E.Drain, “Laser Ultrasonic-Techniques and Applications”, ISBN 0-7503-0050-7, Adam Hilger, p. 289, 1990
비특허문헌 3: A. Gibson and J.S. Popovics, “Lamb Wave Basis for Impact-Echo Method Analysis” , J. Eng. Mech., vol. 131 (4), 438-443, (2005).Non Patent Literature 3: A. Gibson and J.S. Popovics, “Lamb Wave Basis for Impact-Echo Method Analysis”, J. Eng. Mech., Vol. 131 (4), 438-443, (2005).
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 레이저 초음파법에 있어서, 피검사체의 표면에 데미지를 주지 않으며 레이저의 조사 흔적이 생기지 않는, 열탄성 효과에 의한 초음파 여기를 이용한 프와송비의 계측 방법 및 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above circumstances, and in the laser ultrasound method, a method for measuring Poisson's ratio using ultrasonic excitation by thermoelastic effect, which does not cause damage to the surface of an object to be examined and does not generate a trace of laser irradiation. And a measuring device.
본 발명자들은, 열탄성 효과로 여기되는 초음파를 수신하여 프와송비를 산출하는 방법에 대해 예의 검토한 결과, 판파 초음파와 표면파 초음파를 수신하면, 프와송비를 산출할 수 있다는 것을 발견했다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM As a result of earnestly examining about the method of receiving the ultrasonic wave excited by a thermoelastic effect, and calculating the Poisson's ratio, it discovered that the Poisson's ratio can be calculated when receiving a plate wave ultrasonic wave and surface wave ultrasonic wave.
본 발명은, 상기 지견에 기초하여 이뤄진 것으로, 요지는 이하와 같다.This invention is made | formed based on the said knowledge, The summary is as follows.
(1) 피검사체의 표면에 펄스 레이저광을 조사하여 열탄성 효과에 의해 초음파를 발생시키고, 그 피검사체의 표면에 연속파 레이저광을 조사하고 그 피검사체를 전파하는 초음파를 수신하여 피검사체의 프와송비를 계측하는 방법으로서,(1) Irradiate pulsed laser light to the surface of the test object to generate ultrasonic waves by the thermoelastic effect, irradiate continuous wave laser light to the surface of the test object, and receive ultrasonic waves propagating the test object, As a method of measuring the eddy ratio,
(i) 피검사체를 전파하는 판파(Plate wave) 초음파와 표면파 초음파를 수신하여,(i) receiving plate wave ultrasonic waves and surface wave ultrasonic waves propagating the subject,
(ii) 상기 판파 초음파의 주파수를 산출하고,(ii) calculating the frequency of the wave ultrasound;
(iii) 상기 표면파 초음파의 전파 시간을 계측하고, 그 전파 시간과 전파 거리로부터 그 표면파 초음파의 전파 속도를 산출하고,(iii) measuring the propagation time of the surface wave ultrasonic waves, and calculating the propagation speed of the surface wave ultrasonic waves from the propagation time and the propagation distance;
(iv) 상기 판파 초음파의 주파수와 상기 표면파 초음파의 전파 속도에 기초 하여 상기 피검사체의 프와송비를 산출하는 것을 특징으로 하는 프와송비의 계측 방법.(iv) A Poisson's ratio is calculated based on the frequency of the said plate wave ultrasonic wave and the propagation speed of the surface wave ultrasonic wave.
(2) 상기 판파 초음파의 주파수는, 군속도(群速度)가 제로인 S1 모드의 판파 초음파의 주파수인 것을 특징으로 하는 (1)의 프와송비의 계측 방법.(2) The frequency of said wave wave ultrasonic wave is the frequency of the wave wave ultrasonic wave of S1 mode whose group speed is zero, The measuring method of the poisson's ratio of (1) characterized by the above-mentioned.
(3) 상기 펄스 레이저광을 상기 피검사체에 조사하여 상기 판파 초음파를 수신할 때에, 그 펄스 레이저광을 점형상 스폿으로 조사하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)의 프와송비의 계측 방법.(3) Measurement of the Poisson's ratio of (1) or (2), wherein the pulsed laser light is irradiated to a point-like spot when the pulsed laser light is irradiated onto the subject to receive the plate wave ultrasonic wave. Way.
(4) 상기 펄스 레이저광을 상기 피검사체에 조사하여 상기 판파 초음파를 수신할 때에, 상기 연속파 레이저광을, 그 펄스 레이저광을 조사하는 상기 점형상 스폿 영역 내에 조사하는 것을 특징으로 하는 (3)의 프와송비의 계측 방법.(4) When the pulsed laser beam is irradiated to the object under test to receive the plate wave ultrasonic wave, the continuous wave laser beam is irradiated into the point-shaped spot area irradiated with the pulsed laser beam (3) Method of Poisson's ratio
(5) 상기 펄스 레이저광을 상기 피검사체에 조사하여 상기 표면파 초음파를 수신할 때에, 그 펄스 레이저광을 선형상으로 조사하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 프와송비의 계측 방법.(5) The Poisson's ratio of any one of (1) to (4), wherein the pulsed laser beam is irradiated linearly when the pulsed laser beam is irradiated onto the subject to receive the surface wave ultrasonic waves. Method of measurement.
(6) 상기 판파 초음파 및 상기 표면파 초음파를 수신하는 방법은, 상기 연속파 레이저광을 상기 피검사체의 표면에 조사하고, 그 판파 초음파 및 그 표면파 초음파의 진동에 의해 도플러 쉬프트(Doppler shift)를 받은 그 연속파 레이저광의 반사광을 수광하고, 그 반사광을 간섭계로 간섭시키고, 그 간섭계로부터 출력되는 광의 강도 변화를 검지하는 방법인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 프와송비의 계측 방법.(6) The method for receiving the plate wave ultrasonic wave and the surface wave ultrasonic wave, wherein the continuous wave laser beam is irradiated onto the surface of the subject and subjected to a Doppler shift by the vibration of the plate wave ultrasonic wave and the surface wave ultrasonic wave. A method of measuring the Poisson's ratio according to any one of (1) to (5), wherein the reflected light of the continuous wave laser light is received, the reflected light is interfered with an interferometer, and a change in intensity of light output from the interferometer is detected. .
(7) 피검사체의 표면에 펄스 레이저광을 조사하여 열탄성 효과에 의해 초음 파를 발생시키고, 그 피검사체의 표면에 연속파 레이저광을 조사하고 그 피검사체를 전파하는 초음파를 수신하여 피검사체의 프와송비를 계측하는 장치로서,(7) Irradiate pulsed laser light to the surface of the test object to generate ultrasonic waves by the thermoelastic effect, irradiate continuous wave laser light to the surface of the test object, and receive ultrasonic waves propagating the test object. As a device for measuring Poisson's ratio,
(i) 피검사체의 표면에 펄스 레이저광을 조사하여 초음파 여기함으로써, 초음파를 발생시키기 위한 레이저 광원을 포함하는 초음파 발생부,(i) an ultrasonic wave generator including a laser light source for generating ultrasonic waves by irradiating pulsed laser light on the surface of the object to be ultrasonically excited;
(ii) 피검사체의 표면에 연속파 레이저광을 조사함으로써, 피검사체를 전파하는 판파 초음파 및 표면파 초음파를 수신하기 위한 레이저 광원을 포함하는 수신부,(ii) a receiving unit including a laser light source for receiving plate wave ultrasound and surface wave ultrasound propagating the object by irradiating continuous wave laser light onto the surface of the object,
(iii) 수신된 상기 판파 초음파로부터 그 판파 초음파의 주파수를 산출하는 제1 처리부,(iii) a first processing unit for calculating the frequency of the plate wave ultrasonic wave from the received plate wave ultrasonic wave,
(iv) 수신된 상기 표면파 초음파의 전파 시간을 계측하고, 그 전파 시간과 전파 거리로부터 그 표면파 초음파의 전파 속도를 산출하는 제2 처리부, 및,(iv) a second processor for measuring the propagation time of the received surface wave ultrasonic waves and calculating the propagation speed of the surface wave ultrasonic waves from the propagation time and the propagation distance;
(v) 상기 판파 초음파의 주파수와 상기 표면파 초음파의 전파 속도로부터, 피검사체의 프와송비를 산출하는 제3 처리부를 갖춘 것을 특징으로 하는 프와송비의 계측 장치.(v) A Poisson's ratio measuring device, comprising: a third processing unit for calculating the Poisson's ratio of the object under test from the frequency of the plate wave ultrasound and the propagation speed of the surface wave ultrasound.
(8) 상기 판파 초음파의 주파수는, 군속도가 제로인 S1 모드의 판파 초음파의 주파수인 것을 특징으로 하는 (7)의 프와송비의 계측 장치.(8) The fraudulence ratio measurement device according to (7), wherein the frequency of the wave wave ultrasonic wave is the frequency of the wave wave ultrasonic wave of the S1 mode in which the group speed is zero.
(9) 상기 초음파 발생부에는, 상기 펄스 레이저광을 상기 피검사체에 점형상 스폿으로 조사하는 조사 광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 (7) 또는 (8)의 프와송비의 계측 장치.(9) The apparatus for measuring Poisson's ratio according to (7) or (8), wherein the ultrasonic wave generation unit further comprises an irradiation optical system for irradiating the pulsed laser light to the test subject with a spot shape spot.
(10) 상기 연속파 레이저광을, 상기 펄스 레이저광을 조사하는 상기 점형상 스폿 영역 내에 조사하는 것을 특징으로 하는 (9)의 프와송비의 계측 장치.(10) The poisson's ratio measuring device according to (9), wherein the continuous wave laser light is irradiated into the point spot area for irradiating the pulsed laser light.
(11) 상기 초음파 발생부에는, 상기 펄스 레이저광을 상기 피검사체에 선형상 스폿으로 조사하는 조사 광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 (9) 또는 (10)의 프와송비의 계측 장치.(11) The apparatus for measuring Poisson's ratio according to (9) or (10), wherein the ultrasonic wave generation unit further comprises an irradiation optical system for irradiating the pulsed laser light to the subject under a linear spot.
(12) 상기 초음파 발생부에는, 상기 점형상 스폿으로 조사하는 조사 광학계와, 상기 선상 스폿으로 조사하는 조사 광학계를 전환하는 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 (11)의 프와송비의 계측 장치.(12) The apparatus for measuring Poisson's ratio of (11), wherein the ultrasonic wave generation unit further includes a mechanism for switching the irradiation optical system irradiated with the point spot and the irradiation optical system irradiated with the linear spot. .
(13) 상기 수신부에는, 상기 판파 초음파 및 상기 표면파 초음파의 진동에 의해 도플러 쉬프트를 받은 상기 연속파 레이저광의 반사광을 수광하고, 수광한 그 연속파 레이저광의 반사광을 간섭시키는 간섭계와, 그 간섭계로부터 출력되는 광의 강도 변화를 전기 신호로서 출력하는 광검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 (7) 내지 (12) 중 어느 하나의 프와송비의 계측 장치.(13) The receiving unit includes an interferometer for receiving the reflected light of the continuous wave laser light subjected to the Doppler shift by the vibration of the plate wave ultrasound and the surface wave ultrasound, and interfering the reflected light of the received continuous wave laser light, and the light output from the interferometer. The photodetector of any one of (7)-(12) characterized by further including the light-detecting part which outputs a intensity change as an electrical signal.
본 발명에 의하면, 애블레이션이 생기지 않을 정도의 낮은 에너지의 레이저광을 이용하여, 열탄성 효과에 의해 초음파를 여기하므로, 피검사체의 표면에 데미지를 주지 않고, 레이저광의 조사 흔적이 생기지 않게 하여, 비접촉이면서 비파괴로 프와송비를 계측할 수 있다.According to the present invention, since the ultrasonic energy is excited by the thermoelastic effect by using a laser energy of a low energy level such that no ablation occurs, no damage is caused to the surface of the inspected object, so that no trace of the laser light is generated. Poisson's ratio can be measured non-destructively and non-destructively.
이하, 본 발명에서의, 열탄성 효과에 의한 초음파 여기를 이용한 계측법의 원리에 대해, 애블레이션에 의한 초음파 여기를 이용한 계측법(이하, 종래법이라 함)과 비교하여 설명한다.Hereinafter, the principle of the measurement method using the ultrasonic excitation by the thermoelastic effect in the present invention will be described in comparison with the measurement method using the ultrasonic excitation by ablation (hereinafter, referred to as a conventional method).
종래법에서는, 애블레이션을 이용한 초음파 여기에 의해 피검사체에 초음파를 발생시키고 전파시킨다.In the conventional method, ultrasonic waves are generated and propagated to an inspected object by ultrasonic excitation using ablation.
이 때, 피검사체가 비교적 얇은 판인 경우, 종파와 횡파 이외에 고체 평면층 내를 평면을 따라 전파하는 탄성파인 판파 초음파라 불리는 파(wave)가 발생한다.At this time, when the object to be inspected is a relatively thin plate, waves called plate wave ultrasonic waves, which are elastic waves propagating along the plane, in addition to the longitudinal and transverse waves, are generated.
판파 초음파에는, 진동의 대칭성에 의해 대칭 모드(S0, S1, S2,…)와 비대칭 모드(A0, A1, A2,…)로 나눠지는 많은 모드가 존재한다. 또한, 판파 초음파의 위상 속도는 모드에 따라 상이하며, 주파수와 판두께의 곱에도 의존한다. 즉, 위상 속도는 속도 분산의 특징을 갖는다. 그리고, 위상 속도 분산에 의해 군속도가 존재하며, 군속도도 주파수와 판두께의 곱에 의존한다. 판파 초음파의 군속도[m/s]와, 주파수와 판두께의 곱 사이에는 도 2에 나타내는 관계가 있다고 알려져 있다.In the wave ultrasound, there are many modes divided into symmetrical modes (S0, S1, S2, ...) and asymmetrical modes (A0, A1, A2, ...) by the symmetry of vibration. In addition, the phase velocity of the plate wave ultrasound varies depending on the mode, and also depends on the product of the frequency and the plate thickness. That is, the phase velocity has the characteristic of velocity dispersion. In addition, the group velocity exists by phase velocity dispersion, and the group velocity also depends on the product of the frequency and the plate thickness. It is known that there is a relationship shown in FIG. 2 between the group speed [m / s] of the plate wave ultrasonic wave and the product of the frequency and the plate thickness.
판파 초음파는, S/N 및 초음파 감쇠의 관점으로부터, S1 모드, A2 모드가 검출되기 쉬운 모드이며, 판파 초음파의 주파수 계측은, 주로 S1 모드, A2 모드에 대해 행해진다.The plate wave ultrasound is a mode in which the S1 mode and the A2 mode are easily detected from the viewpoints of S / N and the ultrasonic attenuation, and the frequency measurement of the plate wave ultrasound is mainly performed for the S1 mode and the A2 mode.
판파 초음파의 S1f 및 A2f와, 프와송비 υ, 종파 음속 VL, 횡파 음속 VS와의 관계는 수식 1과 같음이 알려져 있다. 단, β1(υ) 및 β2(υ)는, 프와송비 υ를 파라미터로 하는 기존 함수이다(비특허문헌 3). 도 3a에, 프와송비와 β1(υ)의 관계를 나타내며, 도 3b에, 프와송비와 β2(υ)의 관계를 나타낸다.It is known that the relationship between S1f and A2f of the plate wave ultrasonic wave, the Poisson's ratio ν, the longitudinal wave velocity V L , and the transverse wave velocity V S is the same as that of
수식 1과 수식 2에 나타내는, 프와송비 υ와, 종파 음속 VL 및 횡파 음속 VS 의 관계로부터 수식 3을 얻을 수 있다. S1f 및 A2f의 값이 구해지면, 수식 3으로부터 프와송비 υ를 산출할 수 있으며, 이어서, 수식 1로부터 종파 음속 VL과 횡파 음속 VS를 산출할 수 있다.
즉, 종래법에서는, 애블레이션에 의해 발생한 판파 초음파를, 연속파 레이저 등을 이용하여 검출하고, 검출된 파형을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: 이하, FFT)에 의해 처리 함으로써, 판파 초음파의 S1f 및 A2f를 동시에 계측하여 프와송비 υ, 종파 음속 VL 및 횡파 음속 VS를 산출한다.That is, in the conventional method, the plate wave ultrasonic waves generated by ablation are detected by using a continuous wave laser or the like, and the detected waveforms are processed by fast Fourier transform (hereinafter referred to as FFT) to thereby detect S1f and A2f is simultaneously measured to calculate the Poisson's ratio υ, the longitudinal wave speed V L and the transverse wave speed V S.
다음에, 본 발명의 계측법을 설명한다.Next, the measuring method of this invention is demonstrated.
피검사체에, 레이저광을 조사하여 초음파를 여기하면, 상기 종파, 횡파 및 판파 초음파 이외에, 표층부의 표면으로부터 1파장 정도의 깊이에 에너지가 집중되 어, 표면을 따라 전파하는 표면파 초음파라 불리는 탄성파가 발생한다.When the laser beam is excited by irradiating the laser beam with the laser beam, energy is concentrated at a depth of about one wavelength from the surface of the surface layer in addition to the longitudinal wave, transverse wave, and plate wave ultrasonic wave, and an acoustic wave called surface wave ultrasonic wave propagates along the surface. Occurs.
본 발명에서는, 열탄성 효과에 의한 초음파 여기를 이용하여 판파 초음파의 S1f 및 표면파 초음파의 음속 VSAW를 계측한다.In the present invention, S1f of the plate wave ultrasonic wave and the sound velocity V SAW of the surface wave ultrasonic wave are measured using ultrasonic excitation by the thermoelastic effect.
표면파 초음파의 음속 VSAW와 횡파 음속 VS 사이에는 수식 4의 관계가 있다. 수식 1, 수식 3 및 수식 4로부터 수식 5를 도출할 수 있다. 즉, S1f 및 VSAW의 값이 구해지면, 수식 5로부터 프와송비 υ를 산출할 수 있다.There is a relationship of
프와송비 υ가 산출되면, 다시 수식 4로부터 횡파 음속 VS를 산출할 수 있고, 이어서 수식 1로부터 종파 음속 VL을 산출할 수 있다.When the Poisson's ratio ν is calculated, the transverse wave speed V S can be calculated again from
상기 서술한 바와 같이, 열탄성 효과에 의한 초음파 여기를 이용한 측정에서, A2f의 계측은 사실상 불가능하지만, 판파 초음파의 S1f 및 표면파 초음파의 음속 VSAW는 계측할 수 있다. 즉, A2f를 계측하지 않고도 S1f, 표면파 초음파의 음속 VSAW를 계측함으로써 프와송비의 산출을 가능하게 한 점이 본 발명의 특징이다.As described above, in the measurement using the ultrasonic excitation by the thermoelastic effect, measurement of A2f is virtually impossible, but the sound velocity V SAW of the plate wave ultrasonic wave and the surface wave ultrasonic wave can be measured. That is, it is a feature of the present invention that the Poisson's ratio can be calculated by measuring the sound velocity V SAW of S1f and surface wave ultrasonic waves without measuring A2f.
본 발명에 의한 계측을 행하기 위한 장치는, 초음파 발생부, 수신부, 제1 처리부, 제2 처리부 및 제3 처리부로 이루어진다.An apparatus for performing measurement according to the present invention includes an ultrasonic wave generator, a receiver, a first processor, a second processor, and a third processor.
초음파 발생부는, 피검사체의 표면에 펄스 레이저광을 조사하여 초음파 여기함으로써, 초음파를 발생시키기 위한 레이저 광원을 포함하며, 필요에 따라, 렌즈, 미러 등으로 이루어진 조사 광학계 및 복수의 조사 광학계를 전환하는 기구를 추가로 갖춘다.The ultrasonic wave generation unit includes a laser light source for generating ultrasonic waves by irradiating pulsed laser light on the surface of the object to be ultrasonically excited to generate an ultrasonic wave, and, if necessary, switching an irradiation optical system made of a lens, a mirror or the like and a plurality of irradiation optical systems. Additional equipment.
수신부는, 피검사체의 표면에 연속파 레이저광을 조사함으로써, 피검사체를 전파하는 판파 초음파 및 표면파 초음파를 수신하기 위한 레이저 광원을 포함하고, 필요에 따라, 예를 들어, 페브리 페롯 간섭계와 같은, 연속파 레이저광의 피검사체로부터의 반사광을 수광하여 간섭시키는 간섭계 및 예를 들어, 애벌런치·포토다이오드(avalanche photodiode: 이하, APD) 등으로 이루어진, 간섭계로부터 출력되는 광의 강도 변화를 전기 신호로서 출력하는 광검출부를 추가로 갖춘다.The receiver includes a laser light source for receiving plate wave ultrasound and surface wave ultrasound that propagates the object by irradiating continuous wave laser light onto the surface of the object, and, for example, such as a Fabry-Perot interferometer, An interferometer for receiving and interfering reflected light from an object under test of continuous wave laser light, and an optical signal outputting an intensity change of light output from the interferometer as an electrical signal, for example, an avalanche photodiode (APD) or the like. Further equipped with a detector.
제1 처리부는, 전자 계산기 등으로 이루어지며, 수신된 판파 초음파로부터 판파 초음파의 주파수를 산출한다.The first processing unit includes an electronic calculator or the like, and calculates a frequency of the plate wave ultrasonic wave from the received plate wave ultrasonic wave.
제2 처리부는, 전자 계산기 등으로 이루어지며, 수신된 표면파 초음파의 전파 시간을 계측하고, 전파 시간과 전파 거리로부터 표면파 초음파의 전파 속도를 산출한다.The second processing unit includes an electronic calculator and the like, measures the propagation time of the received surface wave ultrasonic waves, and calculates the propagation speed of the surface wave ultrasonic waves from the propagation time and the propagation distance.
제3 처리부는, 전자 계산기 등으로 이루어지며, 판파 초음파의 주파수와 표면파 초음파의 전파 속도로부터 피검사체의 프와송비를 산출한다.The third processing unit is composed of an electronic calculator or the like and calculates the Poisson's ratio of the inspected object from the frequency of the plate wave ultrasound and the propagation speed of the surface wave ultrasound.
또한, 제1 처리부, 제2 처리부, 제3 처리부는, 각각 물리적으로 다른 장치 로부터 구성되는 것일 필요는 없으며, 예를 들어, 동일한 전자 계산기 내에 각각의 처리를 행하는 프로그램을 갖는 것이어도 상관없다.Note that the first processing unit, the second processing unit, and the third processing unit do not necessarily need to be constituted by physically different devices, respectively. For example, the first processing unit, the second processing unit, and the third processing unit may have a program for performing each processing in the same electronic calculator.
이하, 본 발명에 의한 계측의 일례를, 도면을 이용하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, an example of the measurement by this invention is demonstrated in detail using drawing.
도 4a에 판파 초음파의 S1f의 계측의 개요를 나타낸다. S1f의 계측은, 피검사체(11)의 표면에 펄스 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 판파 초음파의 파형을 해석함으로써 행한다.4A shows an outline of the measurement of S1f of the plate wave ultrasonic wave. The measurement of S1f is performed by analyzing the waveform of the ultrasonic wave wave ultrasonic wave generated by irradiating a pulsed laser light to the surface of the inspected
초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생용 레이저 광원(12)에는, 예를 들어, 펄스 출력의 Q-스위치 Nd:YAG 레이저를 사용할 수 있다.As the
초음파 발생용 레이저 광원(12)으로부터 출사된 레이저광(PL)은, 미러(14a), 필터(16), 미러(14b)를 통해 집광 렌즈(17a)에서 빔 직경이 확대되어, 피검사체(11)의 표면에 조사된다. 이 때, 피검사체 표면의 조사 영역에서의 플루언스가, 약 2mJ/mm2 이하가 되도록, 필터(16)의 투과율을 결정하던지, 초음파 발생용 레이저 광원(12)의 출력을 조정하던지 한다.As for the laser beam PL emitted from the
레이저광(PL)은 사용하는 펄스 출력의 Q-스위치 Nd:YAG 레이저의 특성에 의존하지만, 반복 주파수는 10Hz~200Hz 정도이다. 또한, 피검사체(11)의 표면에 조사되는 레이저광(PL)의 조사각은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실용 상, 면에 대해 수직 방향 ±30° 이내 정도이다.The laser light PL depends on the characteristics of the Q-switched Nd: YAG laser of the pulse output used, but the repetition frequency is about 10 Hz to 200 Hz. In addition, the irradiation angle of the laser beam PL irradiated to the surface of the inspected
피검사체(11)의 표면에서는, 레이저광 조사에 의해 급격한 온도 상승이 일어나며, 열탄성 효과에 의해 초음파가 여기된다.On the surface of the inspected
여기서, 군속도가 제로가 되는 주파수의 판파 초음파는, 판파 초음파의 에너지가 피검사체 내를 전파하지 않고, 발생원이 되는 레이저광의 조사 위치에서 국소적으로 공진하므로, 검출점을 초음파 발생점과 일치시킨 경우 군속도가 제로인 판파 초음파의 주파수를 계측할 수 있게 된다.In this case, the wave wave ultrasound at the frequency at which the group velocity is zero resonates locally at the irradiation position of the laser beam, which is the source of generation, without the energy of the wave wave propagating in the inspected object. It is possible to measure the frequency of the plate wave ultrasonic wave with a group speed of zero.
또한, 판파 초음파 모드가 S0 모드, A0 모드 등 저차원의 모드인 경우, 도 2을 통해 알 수 있듯, 군속도 제로인 주파수 영역이 없는지, 혹은 제로 Hz이며, 또한 고차원 모드인 경우, 초음파의 감쇠가 커지므로, 검출되는 판파 초음파는 S1 모드의 판파 초음파로 하는 것이 바람직하다.In addition, when the plate wave ultrasound mode is a low-dimensional mode such as S0 mode or A0 mode, as shown in FIG. 2, there is no frequency domain of group speed zero or zero Hz, and in the high-dimensional mode, the attenuation of the ultrasonic wave becomes large. Therefore, it is preferable that the detected wave wave ultrasonic wave is a wave wave ultrasonic wave of the S1 mode.
초음파 검출용 레이저 광원(13)으로는, 예를 들어, 연속파 출력의 2배파 Nd:YAG 레이저를 사용할 수 있다.As the
초음파 검출용 레이저 광원(13)으로부터 출사된 레이저광(CL)은, 편파 빔 스플리터(polarization beam splitter: 이하, PBS)(19a)로 P-편광성분(CLP)은 투과되고, S-편광성분(CLS)은 반사된다. 레이저광(CL)의 P-편광성분(CLP)은 미러(14c, 14d)를 통해 피검사체(11)의 표면에 조사된다. 피검사체 표면의 조사 영역은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 상기 초음파 발생용 레이저의 조사 영역내인 것이 바람직하다.The laser light CL emitted from the
피검사체(11)에 조사된 레이저광(CL)의 P-편광성분(CLP)은, 피검사체(11)에 발생한 초음파에 의해, 피검사체(11)의 표면 변위 속도(V)에 따라 도플러 쉬프트 Δf=2 V/λ를 받아 반사된다. 단, λ는 초음파 검출용 레이저광의 파장이다.The P-polarized component CLP of the laser light CL irradiated onto the inspected
반사된 레이저광은, 집광 렌즈(17b), 미러(14e, 14f)를 통해 PBS(19b)를 투과하여, 페브리 페롯 간섭계(20)에 입사된다.The reflected laser light passes through the
피검사체(11)에 조사되는 레이저광(CL)의 P-편광성분(CLP)의 조사각은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실용상 면에 대해 수직방향 ±30° 이내 정도이다.Although the irradiation angle of the P-polarization component CLP of the laser beam CL irradiated to the to-
한편, PBS(19a)로 나눠진 레이저광(CL)의 S-편광성분(CLS)은, PBS(19b)로 반사되어 페브리 페롯 간섭계(20)에 입사된다.On the other hand, the S-polarized component CLS of the laser light CL divided by the
페브리 페롯 간섭계(20)는 파장 필터로서의 역할을 한다. 페브리 페롯 간섭계의 투과율은, 도 6에 나타내는 바와 같이 광의 주파수에 따라 크게 상이하다.The
페브리 페롯 간섭계(20)에 입사되는 레이저광(CL)의 P-편광성분(CLP)은, 피검사체(11)을 전파하는 초음파로부터 받은 도플러 효과의 크기, 즉 피검사체(11)의 표면 변위 속도에 따라 주파수가 약간 변하는데, 이것을 페브리 페롯 간섭계(20)를 투과시킴으로써 상대적으로 큰 투과광 강도의 변화로 변환한다.The P-polarized component CLP of the laser light CL incident on the Fabry-
그리고, 페브리 페롯 간섭계(20)를 투과한, 레이저광(CL)의 P-편광성분(CLP)의 강도 변화를 계측함으로써 피검사체(11)의 표면의 진동 상태를 구할 수 있다.And the vibration state of the surface of the to-
여기서, 도플러 쉬프트 Δf의 크기는, 대체로 0.01~0.1Hz 정도이며, 초음파 검출용 레이저 광원(13)은 주파수 안정성이 높은 레이저 광원을 이용하는 것이 바람직하며, 특별히 제한하지 않지만, 주파수 편차가 100Hz/s 정도 이하인 것이 바람직하다.Here, the size of the Doppler shift Δf is approximately 0.01 to 0.1 Hz, and the ultrasonic detection
또한, 페브리 페롯 간섭계(20)의 투과 특성은, FWHM(Full Width Half Max)이 1MHz~10MHz 정도, FSR(Free Spectral Range)이 100MHz~1GHz 정도가 바람직하다. 또한, FWHM이란, 어떤 함수 f(x)가, 산형상의 국소적 함수의 형상을 나타내고 있는 경우, f(x)가 그 최대값의 절반 값 이상의 값이 되는 x 범위의 폭 값을 말한다. 또한 FSR이란, 자유 스펙트럼 영역의 약어로서, 이웃한 공진 피크 주파수 값의 차로서 정의되는 값이다.Moreover, as for the permeation | transmission characteristic of the Fabry-
레이저광(CL)의 S-편광성분(CLS)은, 페브리 페롯 간섭계(20)로부터 출사된 후, PBS(19c)로 반사되고, APD(21a)에서 전기 신호(ES1)로 변환되어 안정화 회로(22)에 보내진다.The S-polarized light component CLS of the laser light CL is emitted from the Fabry-
APD(21a)에 입사되는 레이저광(CL)의 S-편광성분(CLS)의 강도는, 도중의 레이저광의 경로가 항상 동일한 상태에 있으므로, 변하지는 않을 것이다. 강도가 변한 경우에는, 페브리 페롯 간섭계(20)의 공진기를 구성하는 2개의 반사 미러(도시생략) 사이의 거리가 외부 진동 등의 외란(外亂)에 의해 변해, 페브리 페롯 간섭계(20)의 특성이 변하거나, 초음파 검출용 레이저 광원(13)의 발진 주파수에 요동이 생긴 등의 원인을 생각할 수 있다.The intensity of the S-polarized light component CLS of the laser light CL incident on the
그 경우에는, APD(21a)에 입사되는 레이저광(CL)의 S-편광성분(CLS)의 강도가 일정해지도록, 안정화 소자(22)로부터의 전기 신호(ES2)에 의해, 페브리 페롯 간섭계(20)의 반사 미러가 최적인 위치가 되도록 조정한다. 반사 미러의 위치 조정에는, 예를 들어, 피에조 소자 등을 이용할 수 있다.In that case, the Fabry-Perot interferometer is provided by the electrical signal ES2 from the stabilizing
레이저광(CL)의 P-편광성분(CLP)은, 페브리 페롯 간섭계(20)로부터 출사된 후, PBS(19c)를 투과하고, APD(21b)에서 전기 신호(ES3)로 변환되어 산출부(23)에 보내진다. 그리고, 산출부(23) 내의, 제1 처리부인 S1f값 산출부(23a)에서 입력된 전기 신호(ES3)의 강도로부터 피검사체(11) 표면의 진동 상태를 산출하고, 얻어진 파형을 FFT 처리함으로써 S1f의 값이 산출된다.The P-polarized component CLP of the laser light CL is emitted from the Fabry-
다음에, 표면파 초음파의 음속 계측에 대해 도 4b를 이용하여 설명한다. 표면파 초음파의 음속의 계측은, 피검사체(11)의 표면에 펄스 레이저를 조사하여 발생한 표면파 초음파의 파형으로부터 산출한다.Next, sound velocity measurement of surface wave ultrasonic waves will be described with reference to FIG. 4B. The measurement of the sound velocity of surface wave ultrasonic waves is computed from the waveform of surface wave ultrasonic waves which generate | occur | produced by irradiating a pulse laser to the surface of the to-
표면파 초음파를 발생시키기 위한 레이저 광원으로는, 초음파 발생용 레이저 광원(12)을, 검출용의 레이저 광원으로는 초음파 검출용 레이저 광원(13)을 그대로 사용할 수 있다.As the laser light source for generating surface wave ultrasonic waves, the
단, 표면파 초음파의 음속 계측에 있어서는, 초음파 발생 위치로부터 초음파 검출 위치까지의 전파 시간을 계측하기 위한, 피검사체(11) 표면의, 초음파 발생 위치와 검출 위치는 일정한 거리가 필요하다. 그러므로, 초음파 발생용 레이저 광원(12)의 조사 광학계를, 예를 들어 도 4b에 나타내는 바와 같이 바꿀 필요가 있다.However, in the sound velocity measurement of surface wave ultrasonic waves, the ultrasonic wave generation position and the detection position of the surface of the inspected
구체적으로는, 초음파 발생용 레이저 광원(12)으로부터 출사된 레이저광(PL)은, 미러(14a), 필터(16)을 통과한 후 미러(14g)로 반사되고, 피검사체(11)의 표면에서, 초음파 검출용 레이저 광원(13)으로부터 출사된 레이사광(CLP)의 조사 위치와는 다른 위치에 조사된다.Specifically, the laser light PL emitted from the
도 4a 및 도 4b에 나타낸 예에서는, 리니어 스테이지(15) 상의 미러(14g)를 이동시킴으로써, S1f 계측을 위한 조사 광학계와, 표면파 초음파의 음속 계측을 위 한 조사 광학계를 서로 바꿀 수 있다. 리니어 스테이지(15)는, 모터 등을 이용하여 자동적으로 교체되도록 해도 된다. 조사 광학계를 바꾸기 위한 다른 기구를 마련해도 상관없다.In the example shown in FIG. 4A and FIG. 4B, by moving the
또한, 표면파 초음파는 레이저 조사 위치 주위의 전방향에 방사되므로, 도 7에 나타내는 바와 같이, 레이저광(PL)을, 예를 들어 실린더형 렌즈 등에 의해 선형상 빔으로 변환하고 나서 조사하는 것이 유효하다. 선형상 빔을 조사하면, 빔에 대해 수직 방향으로 전파하는 표면파 초음파의 에너지가 커지기 때문에, 표면파 초음파의 검출 감도를 올릴 수 있다.In addition, since the surface wave ultrasonic waves are radiated in all directions around the laser irradiation position, it is effective to irradiate the laser beam PL after converting it into a linear beam by, for example, a cylindrical lens or the like, as shown in FIG. 7. . When the linear beam is irradiated, the energy of the surface wave ultrasonic waves propagating in the direction perpendicular to the beam increases, so that the detection sensitivity of the surface wave ultrasonic waves can be increased.
도 4b에 나타내는 예에서는, 미러(14g)에서 반사된 레이저광(PL)은, 실린더형 렌즈(18)에 의해 선형상 빔으로 변환된 후, 피검사체(11)의 표면에 조사된다. 이 때, 피검사체 표면의 조사 영역에서의 플루언스가 약 2mJ/mm2 이하가 되도록 초음파 발생용 레이저 광원(12)의 출력을 조정한다.In the example shown in FIG. 4B, the laser beam PL reflected by the
레이저광(PL)은 사용하는 펄스 출력의 Q-스위치 Nd:YAG 레이저의 특성에 의존하지만, 반복 주파수는 10Hz~200Hz정도이다. 또한, 피검사체(11)의 표면에 조사되는 레이저광(PL)의 조사각은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실용상, 면에 대해 수직방향 ±30°이내 정도이다.The laser light PL depends on the characteristics of the Q-switched Nd: YAG laser of the pulse output used, but the repetition frequency is about 10 Hz to 200 Hz. In addition, the irradiation angle of the laser beam PL irradiated to the surface of the inspected
발생한 표면파 초음파는, 피검사체(11)의 표면에 조사된 레이저광(CL)의 P-편광성분을 표면 변위에 따라 도플러 쉬프트 시킨다. 도플러 쉬프트를 받은 레이저광(CL)의 P-편광성분은, 도플러 쉬프트에 따라 페브리 페롯 간섭계(20)를 투과하는 강도가 변하며, 그 강도는 APD(21b)에서 전기 신호(ES3)로 변환되어 산출부(23)에 보내진다.The generated surface wave ultrasonic wave causes the P-polarized component of the laser beam CL irradiated to the surface of the inspected
산출부(23) 내의, 제2 처리부인 표면파 초음파 음속 산출부(23b)에서는, 입력된 전기 신호(ES3)의 강도로부터, 피검사체(11)의 표면의 진동 상태를 산출하고, 얻어진 파형으로부터 표면파 초음파의 음속 VSAW 이 산출된다.In the
그리고, 산출된 S1f, VSAW의 값을 이용하여, 산출부(23) 내의 제3 처리부인 프와송비 산출부(23c)에서, 수식 5로부터 프와송비 υ가 산출된다.Then, using the calculated values of S1f and V SAW, the Poisson's ratio υ is calculated from
산출된 결과는, 예를 들어 표시 장치(24)를 마련하여 표시할 수도 있다.The calculated result can also be provided by displaying the
이상, 본 발명에 의한 계측의 일례를 설명했지만, 물론, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술 사상의 범위에서 다른 태양으로 실시할 수도 있다.As mentioned above, although an example of the measurement by this invention was demonstrated, of course, this invention is not limited to this, It can also be implemented with another aspect in the range of the technical idea of this invention.
<실시예><Examples>
이하, 본 발명을 실시한 예에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the example which implemented this invention is demonstrated concretely.
도 4a 및 도 4b에 나타낸 시스템을 이용하여 강재(SK85)의 프와송비를 계측했다. 초음파 발생용 레이저 광원으로는 펄스 출력의, Q-스위치 Nd:YAG 레이저를 사용하고, 초음파 검출용 레이저 광원으로는 연속파 출력의, 2배파 Nd:YAG 레이저를 사용했다.The Poisson's ratio of steel material SK85 was measured using the system shown to FIG. 4A and FIG. 4B. As a laser light source for ultrasonic generation, a Q-switched Nd: YAG laser of pulse output was used, and a double wave Nd: YAG laser of continuous wave output was used as a laser light source for ultrasonic detection.
계측 조건은, 표 1에 나타낸다.Measurement conditions are shown in Table 1.
표 1에 나타낸, S1f 계측용 조사 광학계에 있어서의 플루언스 1.8mJ/mm2, 표면파 초음파 음속 계측용 조사 광학계에 있어서의 2.0mJ/mm2는 모두 애블레이션이 생기지 않을 정도의 에너지이다. 또한, 표 1중의 피검사체와 조사 광학계의 거리는, 피검사체와 조사 광학계의 최단 거리를 의미하며, 도 4a의 예에서는 피검사체(11)과 미러(14f)의 거리이다.Shown in Table 1, S1f of the irradiation optical system for measuring
우선, 도 4a에 나타내는, S1f 계측용 조사 광학계에서 S1f를 계측했다. 도 8에, APD(21b)에서 검출한 파형을 나타낸다. 도 8 중 (51)이 펄스 YAG 발진 타이밍(초음파 발생 시각)이다. 또한, 도 8에 나타낸 파형을 FFT 처리한 결과를 도 9에 나타낸다. 주파수 1.38MHz의 위치에서 S1f를 나타내는 스펙트럼(61)이 명료하게 계측되었다. 그러나, 검출되는 경우 약 2.4MHz의 위치에서 보일 것으로 생각된 A2f는 검출되지 않았다.First, S1f was measured by the irradiation optical system for S1f measurement shown in FIG. 4A. 8 shows the waveform detected by the
다음에, 리니어 스테이지(15) 상의 미러(14g)를 전진시켜, 도 4b에 나타내는 표면파 초음파 계측용 조사 광학계로 전환, 계측했다.Next, the
도 10에, APD(21b)에서 검출한 파형을 나타낸다. 본 파형으로부터, 제로 크로스법으로 표면파 초음파의 전파 시간을 계측하면 3.590μs가 되고, 초음파 발생한 선형상 빔과 검출점의 거리 10.7mm를 계측된 전파 시간으로 나누자, 표면파 초음파의 음속은 2980m/s가 구해졌다.10 shows the waveform detected by the
계측된 S1f=1.38MHz, VSAW=2980m/s 값으로부터, 프와송비 υ, 종파 음속 VL, 횡파 음속 VS를 산출한 결과를 표 2 에 나타낸다.Table 2 shows the results of calculating the Poisson's ratio υ, the longitudinal wave speed V L , and the transverse wave speed V S from the measured values of S1f = 1.38 MHz and V SAW = 2980 m / s.
또한, 계측 후의 피검사체를 관찰한 결과, 레이저광 조사에 의한 조사 흔적은 관찰되지 않았다.Moreover, as a result of observing the test subject after measurement, no irradiation trace by laser light irradiation was observed.
<비교예>Comparative Example
실시예에서 얻은 결과가 타당한지를 조사하기 위해, 공지된 방법인 애블레이션을 이용한 계측법으로 프와송비 υ, 종파 음속 VL, 횡파 음속 VS를 산출했다. 비교예에 있어서, 피검사체에 조사되고 있는 초음파 발생용 펄스 레이저광의 강도는 3.5mmJ/mm2로, 이는 미소한 애블레이션이 생기는 정도의 강도이다.In order to examine the validity of the results obtained in the examples, the Poisson's ratio υ, the longitudinal wave speed V L , and the transverse wave speed V S were calculated by a measurement method using ablation, which is a known method. In a comparative example, the intensity | strength of the ultrasonic wave generation pulse laser beam irradiated to the to-be-tested object is 3.5 mmJ / mm <2> , which is the intensity | strength which the micro ablation produces.
도 11에, S1f의 주파수 성분(61) 및 A2f의 주파수성분(62)의 검출 결과를 나타낸다. 또한, 계측 결과를, 실시예의 결과와 함께 표 2에 나타낸다.11 shows the detection results of the
게다가 비교예에서 계측된, 계측 후의 피검사체 표면을 관찰한 바, 애블레이션에 의한 조사 흔적이 관찰되었다.Moreover, when the surface of the test subject measured after the measurement in the comparative example was observed, the trace of irradiation by ablation was observed.
종래법에 의한 계측결과의 차이(%)Measurement results according to the present invention,
Difference (%) of measurement result by conventional method
표 2에 나타내는 결과로부터, 본 발명에 의한 계측법을 이용한 계측 결과와, 종래법에 따른 계측 결과는 잘 일치하고 있으며, 본 발명의 계측법은, 피검사체에 레이저에 의한 조사 흔적을 생기게 하지 않고 적절한 계측 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.From the results shown in Table 2, the measurement results using the measurement method according to the present invention and the measurement results according to the conventional method are in good agreement, and the measurement method of the present invention is suitable measurement without causing traces of laser irradiation on the inspected object. It was confirmed that the results can be obtained.
본 발명에 의하면, 레이저 초음파법에 있어서, 열탄성 효과를 이용하여 초음파 여기하고, 대상물의 표면에 레이저 조사 흔적을 생기게 하지 않고 프와송비를 산출할 수 있으므로, 여러 재료의 비파괴 검사에 적용할 수 있다.According to the present invention, in the laser ultrasonic method, the ultrasonic wave excitation can be performed using the thermoelastic effect, and the Poisson's ratio can be calculated without creating traces of laser irradiation on the surface of the object, so that it can be applied to nondestructive inspection of various materials. have.
또한 본 발명은 비파괴, 비접촉식 계측 방법이므로, 본 발명을, 예를 들어 금속의 제조 프로세스 내에 적용함으로써, 온라인으로, 제조 중인 실물의 프와송비 등의 물성치를 계측할 수 있으므로, 제조 중에 즉시 제조 조건으로 피드백하는 등으로 이용할 수도 있다.In addition, since the present invention is a non-destructive and non-contact measuring method, by applying the present invention to, for example, a metal manufacturing process, it is possible to measure physical properties such as the Poisson's ratio of the actual product being manufactured online. It can also be used for feedback.
도 1a는, 레이저광에 의한 애블레이션을 이용한 초음파 여기의 원리를 모식적으로 설명하는 도면이다.1A is a diagram schematically illustrating the principle of ultrasonic excitation using ablation by laser light.
도 1b는, 레이저광에 의한 열탄성 효과를 이용한 초음파 여기의 원리를 모식적으로 설명하는 도면이다.FIG. 1B is a diagram schematically illustrating the principle of ultrasonic excitation using a thermoelastic effect by laser light.
도 2는, 판파 초음파의 군속도와, 주파수×판두께의 관계를 나타내는 도면이다.Fig. 2 is a diagram showing the relationship between the group speed of plate wave ultrasonic waves and the frequency × plate thickness.
도 3a는, 프와송비와 β1의 관계를 나타내는 도면이다.3A is a diagram illustrating a relationship between Poisson's ratio and β1.
도 3b는, 프와송비와 β2의 관계를 나타내는 도면이다.3B is a diagram illustrating a relationship between Poisson's ratio and β2.
도 4a는, 본 발명의 계측 방법을 이용하여 프와송비를 계측할 때에, 판파 초음파의 주파수를 계측하는 시스템 전체의 개략을 나타내는 구성도이다.4A is a block diagram showing the outline of the entire system for measuring the frequency of the wave ultrasonic wave when measuring Poisson's ratio using the measurement method of the present invention.
도 4b는, 본 발명의 계측 방법을 이용하여 프와송비를 계측할 때에, 표면파 초음파의 음속을 계측하는 시스템 전체의 개략 구성도이다.4B is a schematic configuration diagram of the entire system for measuring the sound velocity of surface wave ultrasonic waves when measuring Poisson's ratio using the measurement method of the present invention.
도 5는, 본 발명에서 군속도 제로의 판파 초음파를 검출할 때의, 바람직한 초음파 발생용 레이저와 초음파 검출용 레이저의 조사 스폿 위치의 관계를 나타내는 도면이다.Fig. 5 is a diagram showing the relationship between the irradiation spot positions of the preferable ultrasonic wave generation laser and the ultrasonic wave detection laser when detecting the plate wave ultrasonic wave with zero group velocity in the present invention.
도 6은, 페브리 페롯(Fabry Perot) 간섭계의 주파수와 투과율의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a relationship between a frequency and transmittance of a Fabry Perot interferometer.
도 7은, 본 발명에서 표면파 초음파의 음속을 계측할 때의, 바람직한 초음파 발생용 레이저의 조사 방법의 개략을 나타내는 도면이다.7 is a diagram showing an outline of a preferable irradiation method of a laser for generating ultrasonic waves when measuring the sound velocity of surface wave ultrasonic waves in the present invention.
도 8은, 본 발명의 실시예로 검출한 판파 초음파의 파형을 나타내는 도면이다.8 is a diagram showing waveforms of plate wave ultrasonic waves detected in the embodiment of the present invention.
도 9는, 본 발명의 실시예로 검출한 판파 초음파의 파형을 고속 푸리에 변환(FFT)에 의해 처리한 결과를 나타내는 도면이다.9 is a diagram showing a result of processing the waveform of the plate wave ultrasonic wave detected by the embodiment of the present invention by a fast Fourier transform (FFT).
도 10은, 본 발명의 실시예로 검출한 표면파 초음파의 파형을 나타내는 도면이다.Fig. 10 is a diagram showing waveforms of surface wave ultrasonic waves detected in the embodiment of the present invention.
도 11은, 종래법으로 검출한 판파 초음파의 파형을 고속 푸리에 변환(FFT)에 의해 처리한 결과를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the result of having processed the waveform of the plate wave ultrasonic wave detected by the conventional method by a fast Fourier transform (FFT).
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Description of the Related Art [0002]
1 대상물 1 object
2 레이저광2 laser light
3 대상물의 증발 3 evaporation of the object
4 초음파4 ultrasound
5 온도 상승 영역 5 temperature rise zone
11 피검사체11 Subjects
12 초음파 발생용 레이저 광원 12 Laser light source for ultrasonic generation
13 초음파 검출용 레이저 광원13 Laser Light Source for Ultrasonic Detection
14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f 미러14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f mirror
15 리니어 스테이지 15 linear stage
16 필터16 filters
17a, 17b 집광 렌즈 17a, 17b condensing lens
18 실린더형 렌즈18 cylindrical lens
19a, 19b, 19c 편광 빔 스플리터19a, 19b, 19c polarizing beam splitter
20 페브리 페롯 간섭계20 Febri Ferot Interferometer
21a, 21b, 21c 애벌런치·포토다이오드(광검출부) 21a, 21b, 21c avalanche photodiode (photodetector)
22 안정화 회로 22 stabilization circuit
23 산출부23 output
23a S1f값 산출부(제1 처리부) 23a S1f value calculating unit (first processing unit)
23b 표면파 초음파 음속 산출부(제2 처리부) 23b surface wave ultrasonic sound velocity calculating part (the second processing part)
23c 프와송비 산출부(제3 처리부) 23c Poisson's ratio calculation part (the third processing part)
24 표시 장치 24 display
31 초음파 발생용 레이저광의 조사 스폿 31 Irradiation spot of laser light for ultrasonic generation
32 초음파 검출용 레이저광의 조사 스폿 32 Irradiation Spot of Laser Light for Ultrasonic Detection
33 초음파의 진행 방향33 Direction of Ultrasound
41 표면파 초음파의 음속 계측시의 초음파 발생용 레이저광의 조사 스폿Irradiation spot of laser beam for ultrasonic wave generation at the sound speed measurement of 41 surface wave ultrasonic waves
51 펄스 YAG 발진 타이밍(초음파 발생 시각) 51 pulse YAG oscillation timing (ultrasonic generation time)
61 S1 모드의 판파 초음파의 주파수 성분Frequency components of plate wave ultrasound in S1 mode
62 A2 모드의 판파 초음파의 주파수 성분 62 Frequency component of wave ultrasound in A2 mode
CL 초음파 검출용 레이저광(연속파 레이저광) Laser light for CL ultrasonic detection (continuous wave laser light)
CLP 초음파 검출용 레이저광(연속파 레이저광)의 P-편광성분P-polarized component of laser light (continuous wave laser light) for CLP ultrasonic detection
CLS 초음파 검출용 레이저광(연속파 레이저광)의 S-편광성분 S-polarized component of laser light (continuous wave laser light) for CLS ultrasonic detection
PL 초음파 발생용 레이저광(펄스 레이저광)PL Ultrasound Laser Light (Pulse Laser Light)
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