KR101281273B1 - Method and system for determining material properties using ultrasonic attenuation - Google Patents

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Abstract

초음파 감쇠 측정에 의해 물성을 결정하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 제시된 방법에 의하면, 물체에서 측정된 초음파 상호작용 신호는, 동일한 생성 및 검출 셋 업을 사용하지만 기준물체를 사용하여 생성된 기준 신호와 비교된다. 기준 초음파 신호는 낮은 감쇠를 가지며 광대역 초음파 펄스에 대해 물체와 동일한 회절 특성을 나타낸다. 차이는 물체의 감쇠 때문이다. 주파수 함수인 감쇠, 감쇠 스펙트럼은 하나의 모델과 일치하여 초음파 감쇠에 의하여 변하는 물체의 많은 특성중 하나를 확인하기 위해 유용한 파라미터를 획득한다.Methods and systems for determining physical properties by ultrasonic attenuation measurements are disclosed. According to the proposed method, the ultrasonic interaction signal measured on the object is compared with the reference signal generated using the reference object but using the same generation and detection setup. The reference ultrasonic signal has low attenuation and exhibits the same diffraction characteristics as the object for the broadband ultrasonic pulse. The difference is due to the damping of the object. The attenuation and attenuation spectra, a function of frequency, are matched to one model to obtain useful parameters for identifying one of the many properties of an object that is changed by ultrasonic attenuation.

물성, 초음파 감쇠, 상호작용 신호, 광대역 초음파 펄스, 회절 Properties, Ultrasonic Attenuation, Interaction Signals, Wideband Ultrasonic Pulses, Diffraction

Description

초음파 감쇠를 사용한 물성 결정 시스템 및 방법{METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING MATERIAL PROPERTIES USING ULTRASONIC ATTENUATION}Property determination system and method using ultrasonic attenuation {METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING MATERIAL PROPERTIES USING ULTRASONIC ATTENUATION}

본 발명은 일반적으로 비파괴 초음파 검사에 관한 것으로, 특히 초음파 감쇠를 이용하여 물체의 물성을 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to nondestructive ultrasound testing, and more particularly to systems and methods for measuring physical properties of objects using ultrasonic attenuation.

초음파 감쇠는 물질을 통해 전파되는 동안 초음파 강도의 감쇠의 측정이며, 물성을 평가하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 감쇠는 다결정 고체, 예를 들어 대부분의 금속에서 결정의 크기에 직접적으로 관련된다. 결정 크기는 다결정 고체의 중요한 물성에 강한 영향력을 갖는다. 초음파 감쇠는 고체 또는 액체 상태인 매질에 포함된 입자의 크기 및 농도를 측정하거나, 복합재료의 공극 분포를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예는, 초음파의 감쇠 및 속도를 결합하여 활용함으로써 고분자 재료의 점탄성 및 이완 동작을 특징짓는 것이다. 초음파 감쇠를 생성하는 물리적인 메커니즘은 산란 및 흡수를 포함하고, 산란과 흡수 모두는 물성을 특징짓는데 사용될 수 있다. 이러한 물리적인 메커니즘(산란 및 흡수)은 주파수와 관련 있고, 다시 말해서 다른 주파수에서 다른 감쇠율이 관찰된다는 것이다. 협대역 시스템을 사용하거나(이 경우 측정은 일반적으로 중심 주파수에서 보고된다), 또는 주파수 영역 분석을 포함하는 광대역 시스템을 사용하여 초음파 감쇠 측정을 수행하는 것은 공지된 내용이다.Ultrasonic attenuation is a measure of the attenuation of the ultrasonic intensity during propagation through a material and can be used to evaluate physical properties. Ultrasonic attenuation, for example, is directly related to the size of the crystals in polycrystalline solids, for example most metals. Crystal size has a strong influence on the important physical properties of polycrystalline solids. Ultrasonic attenuation can be used to measure the size and concentration of particles contained in a medium in a solid or liquid state, or to measure the pore distribution of a composite material. Another example is to characterize the viscoelastic and relaxation behavior of polymeric materials by combining and utilizing the attenuation and velocity of ultrasonic waves. Physical mechanisms for generating ultrasonic attenuation include scattering and absorption, and both scattering and absorption can be used to characterize physical properties. This physical mechanism (scattering and absorption) is frequency related, that is to say that different attenuation rates are observed at different frequencies. It is well known to make ultrasonic attenuation measurements using a narrowband system (measurement in this case is generally reported at the center frequency), or using a wideband system including frequency domain analysis.

감쇠 측정용으로 사용되는 한 보편적인 기술은 펄스 에코 구조(pulse echo configuration)로 알려져 있는데, 여기에서는 커플란트(couplant) 또는 고체 또는 액체 버퍼(즉, 결합 매질)에 의해 피험물체(test object)에 결합된 압전 변환기(piezoelectric transducer)에 의해 초음파가 발생되고 검출된다. 다른 기술로는 관통 전달 구조(through-transmission configuration)(또는 전달 모드)가 있는데, 피험물체의 반대쪽에서 서로 마주보고 있는 두 개의 변환기가 초음파 수신 및 송신에 사용된다. 관통 전달 구조는 물체의 양 측면에 접근할 수 있어야 한다. 또한 관통 전달 구조에 따라, 변환기 쌍은 양 측면 상의 결합 매질을 사용하여 피험물체와 완벽하게 부합되거나 완전히 특성화되고 바람직하게 정렬되어야 한다. 세 번째 기술(피치 캐치 구조로 알려진)은 피험물체의 대체로 동일한 측면 상에서 서로 이격되어 분리된 변환기 쌍을 포함한다. 피치 캐치(pitch-catch) 구조는 레일리 표면파(Rayleigh surface wave), 램파(Lamb wave)의 초음파 감쇠 및 벌크파의 초음파 감쇠 측정을 위해 사용된다.One common technique used for attenuation measurements is known as pulse echo configuration, in which a test object is applied to a test object by a coupling plant or a solid or liquid buffer (ie, a binding medium). Ultrasound is generated and detected by a coupled piezoelectric transducer. Another technique is through-transmission configuration (or transmission mode), where two transducers facing each other on the opposite side of the subject are used for ultrasound reception and transmission. The through transmission structure must be accessible to both sides of the object. In addition, depending on the through delivery structure, the transducer pair must be perfectly matched or fully characterized and preferably aligned with the subject using a binding medium on both sides. The third technique (known as the pitch catch structure) includes a pair of transducers separated from one another on substantially the same side of the subject. The pitch-catch structure is used for measuring the Rayleigh surface wave, the ultrasonic attenuation of the Lamb wave and the ultrasonic attenuation of the bulk wave.

감쇠 측정을 위한 이러한 구조는 전자기 음향 변환기(EMAT), 공기 결합 변환기 또는 레이저 초음파를 사용하여 비접촉 초음파 생성 및 검출 기술로도 사용될 수 있다. 레이저 초음파는 초음파의 생성을 위해 단 펄스를 갖는 하나의 레이저를 사용한다. 레이저로부터 초음파로의 에너지 전달은 갑작스러운 레이저 가열로 인한 표면상의 열 팽창이 초음파 펄스 생성을 초래하는 열탄성 체계에서 발생하거나, 레이저 에너지가 표면의 박막을 제거하고 초음파를 유도하는 플라즈마가 생성되는 절제 체계에서 발생한다.This structure for attenuation measurement can also be used as a non-contact ultrasonic generation and detection technique using electromagnetic acoustic transducer (EMAT), air coupled transducer or laser ultrasound. Laser ultrasound uses one laser with short pulses for the generation of ultrasound. Energy transfer from the laser to ultrasound occurs in thermoelastic systems where thermal expansion on the surface due to abrupt laser heating results in the generation of ultrasound pulses, or ablation where laser energy removes the thin film on the surface and produces a plasma that induces ultrasound Occurs in the system.

긴 펄스(연속파)를 갖는 제2의 레이저가 일반적으로 검출에 사용된다. 제2의 레이저는 피험물체의 표면상의 검출 위치를 조명하고 검출 위치에서 감쇠된 초음파 펄스의 도달로 인해 반사된 광의 위상 또는 주파수 편이가 광 간섭계 시스템을 사용하여 측정된다. 당업계에 공지된 초음파 검출용 간섭계 시스템은 시지연 박편간섭계(time delay interferometry) 및 파면 적응용 비선형 광학 기반 시스템을 포함하며 이러한 내용은 2004년 뉴욕의 D.O. Thompson and D.E. Chimenti AIP Conf. Proc.에 의해 발행된 Monchalin J.P의 "Laser-ultrasonic: from the laboratory to industry", Review of Progress in Quantitative Nondestructive evaluation Vol. 23A의 3-31 페이지에 설명되어 있다. 초음파 생성 및 검출은 이격되어 수행되고 일반적인 초음파의 정렬 요구 및 결합 액체에 대한 요구를 제거한다.A second laser with a long pulse (continuous wave) is generally used for detection. The second laser illuminates the detection position on the surface of the subject and the phase or frequency shift of the reflected light due to the arrival of the attenuated ultrasonic pulse at the detection position is measured using an optical interferometer system. Ultrasonic detection interferometer systems known in the art include time delay interferometry and nonlinear optical based systems for wavefront adaptation. Thompson and D.E. Chimenti AIP Conf. Monchalin J.P, published by Proc., "Laser-ultrasonic: from the laboratory to industry", Review of Progress in Quantitative Nondestructive evaluation Vol. It is described on page 3-31 of 23A. Ultrasonic generation and detection is performed spaced apart, eliminating the need for alignment of conventional ultrasounds and the need for bonding liquids.

전술된 임의의 구조를 사용하여, 초음파 감쇠를 측정하는 일반적인 방법은 예를 들어, 피험물체의 면 사이에서 반사되는 두 개의 에코 신호를 사용하여 물체의 두 전달 거리에 대해 검출된 초음파 펄스(진폭)의 감쇠를 결정하는 것을 포함한다. 감쇠는 각 주파수에서 두 에코의 진폭을 비교하며 계산될 수 있으며, 이는 A. Vary in Nondestructive Testing Handbook, V.7, 2nd pp.383-431 ASNT(1991)에 설명되어 있다.Using any of the structures described above, a general method of measuring ultrasonic attenuation is, for example, ultrasonic pulses (amplitude) detected for two transmission distances of an object using two echo signals reflected between the surfaces of the subject. Determining the attenuation of. Attenuation can be calculated by comparing the amplitudes of the two echoes at each frequency, as described in A. Vary in Nondestructive Testing Handbook, V.7, 2nd pp. 383-431 ASNT (1991).

계산된 감쇠는 불행하게도 두 음향의 잡음의 영향을 받는데, 즉, 두 측정의 불확정성은 감쇠 값의 정확도를 감소시킨다. 피험물체가 두껍고 및/또는 고 감쇠 물질로 구성된 경우, 두 번째 에코는 빈약한 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)를 갖는다. 이 경우, 두 개의 에코 감쇠 방법(two-echo attenuation method)은 정확한 측정을 허용하지 않을 수도 있으며, 제1 에코의 SNR이 충분히 이용되지 않을 수도 있다. 통상적인 두 개의 에코 방법의 한계를 고려할 때, 초음파 감쇠를 판정하기 위해 단일 에코 접근법(single echo approach)을 사용하는 것이 아주 바람직하다. 그러나 에코의 진폭은 또한 생성 강도(generation strength), 결합 효율(coupling efficiency), 검출 효율(detection efficiency) 등에 따라 달라진다. 통상적인 두 개의 에코 방법에서, 하나의 에코와의 비교는 표준화된 판독을 제공하는 이러한 요소 전부를 잠재적으로 설명한다.The calculated attenuation is unfortunately affected by the noise of both sounds, i.e. the uncertainty of the two measurements reduces the accuracy of the attenuation value. If the subject is composed of thick and / or high attenuation material, the second echo has a poor signal-to-noise ratio (SNR). In this case, the two-echo attenuation method may not allow accurate measurement, and the SNR of the first echo may not be used sufficiently. Given the limitations of two conventional echo methods, it is highly desirable to use a single echo approach to determine ultrasonic attenuation. However, the amplitude of the echo also depends on generation strength, coupling efficiency, detection efficiency, and so on. In two conventional echo methods, comparison with one echo potentially accounts for all of these factors providing a standardized reading.

통상적인 두 개의 에코 방법에 있어서 또 다른 어려움은, 피험물체에 기인하는 고유의 초음파 감쇠를 얻기 위해서는 초음파 펄스의 회절 효과(diffraction effects)를 수정할 필요가 있다는 것이다. 단순화된 이론상의 모델이, 단순한 형상의 피험물체에 대한 회절 수정을 계산하는데 사용되어 왔지만, 실제 상황에서의 회절 형태는 더욱 복잡해질 수 있다.Another difficulty with the two conventional echo methods is that it is necessary to modify the diffraction effects of the ultrasonic pulses in order to obtain the inherent ultrasonic attenuation due to the subject. Although a simplified theoretical model has been used to calculate diffraction corrections for simple shaped subjects, the diffraction pattern in practice can be more complicated.

충분히 일반화된 고유의 초음파 감쇠 스펙트럼을 생성하기 위해, 생성 강도, 결합 효율, 검출 효율 및 회절로 인한 변이를 제거하는 것은, 물체의 특성을 판단하기 위한 단일 에코 사용에 있어서 최대의 도전 과제이다. 펄스 에코 구조의 일부 실시예에 있어서, 피험물체의 표면에 의해 반사된 초음파 펄스(즉, 입사 에코)를 사용하여 표준화(normalization)가 수행되어, 생성된 초음파 펄스의 강도를 특징지을 수 있으며, 단일 에코 상호작용 신호(single echo interaction signal)의 진폭을 사용될 수 있게 한다. 여기서, 상호작용이란 초음파 펄스와 초음파 펄스가 가해진 피험물체 사이에서의 상호작용을 의미한다. 투과전송 구조에 있어서 표준화는, 종종 피험물체 없이 결합 매질(coupling medium)을 통해 전달되는 펄스와 비교하여 이루어진다. 이 구조는 물체의 양측으로 접근할 것을 요구하는데, 이것은 일부 산업적인 응용에서 가능하지 않을 수도 있다. 또한, 입사 에코 또는 상기 경우에서 샘플 제거된 판독의 사용은 고유의 물체 감쇠를 얻기 위한 회절 보정 요구를 제거하지 않는다. 사용된 시스템의 특성에 대한 정확한 정보를 갖는 모델이 여전히 요구된다.In order to generate a well generalized inherent ultrasonic attenuation spectrum, eliminating variations due to generation intensity, coupling efficiency, detection efficiency and diffraction are the biggest challenges in using a single echo to determine the properties of an object. In some embodiments of the pulse echo structure, normalization may be performed using ultrasonic pulses (ie, incident echoes) reflected by the surface of the subject to characterize the intensity of the generated ultrasonic pulses, Allows the amplitude of the single echo interaction signal to be used. Here, the interaction refers to the interaction between the ultrasonic pulse and the subject subjected to the ultrasonic pulse. Standardization in the transmission structure is often done by comparison with pulses delivered through a coupling medium without the subject. This structure requires access to both sides of the object, which may not be possible in some industrial applications. In addition, the use of incident echo or sampled readout in this case does not eliminate the diffraction correction requirement to obtain inherent object attenuation. There is still a need for a model with accurate information about the characteristics of the system used.

기준물체의 감쇠와 비교하여 물체의 특성을 측정하는 레이저 초음파 기술에서 단일 에코의 사용은 듀보아의 미국특허번호 제6,684,701에 개시되어 있다. 듀보아는 샘플 복합 물체의 일 측면에만 접근하여 샘플 복합 물체의 공극을 측정하는 초음파에 대한 방법을 개시한다. 이 방법은 샘플 복합 물체로부터 샘플 초음파 신호를 측정하는 단계와 샘플 복합 물체 상에서 생성시 표면 변위에 대한 샘플 초음파 신호를 표준화하는 단계와 샘플 초음파 신호로부터 샘플 백월(back-wall)을 분리하는 단계를 포함한다. 이때 샘플 백월 에코의 샘플 주파수 스펙트럼이 결정된다. 다음으로, 상기 방법은 기준 복합물체로부터 기준 초음파 신호를 측정하는 단계, 기준 복합 물체 상에서 생성시 표면 변위에 대한 기준 초음파 신호를 표준화하는 단계 및 샘플 초음파 신호로부터 기준 백월 에코를 분리하는 단계를 포함한다. 이때 기준 백월 에코의 기준 주파수 스펙트럼이 결정된다. 이 발명은 미리 결정된 주파수 범위 상의 기준 주파수 스펙트럼 대 샘플 주파수 스펙트럼의 비로써 샘플 복합 물체의 초음파 감쇠를 얻는 단계를 포함한다. 얻어진 초음파 감쇠를 미리 결정된 감쇠 표준에 비교하는 단계는 샘플화된 복합 물체의 다공성 평가를 허용한다.The use of a single echo in laser ultrasound technology to measure the properties of an object compared to the attenuation of a reference object is disclosed in US Pat. No. 6,684,701 to Duboa. Duboa discloses a method for ultrasound that approaches only one side of a sample composite to measure the voids in the sample composite. The method includes measuring a sample ultrasonic signal from a sample composite object, normalizing the sample ultrasonic signal for surface displacement upon generation on the sample composite object, and separating a sample back-wall from the sample ultrasonic signal. do. The sample frequency spectrum of the sample backwall echo is then determined. Next, the method includes measuring a reference ultrasonic signal from the reference composite, normalizing the reference ultrasonic signal for surface displacement upon creation on the reference composite object, and separating the reference backwall echo from the sample ultrasonic signal. . At this time, the reference frequency spectrum of the reference backwall echo is determined. The invention includes obtaining ultrasonic attenuation of the sample composite object as the ratio of the reference frequency spectrum to the sample frequency spectrum over a predetermined frequency range. Comparing the obtained ultrasonic attenuation to a predetermined attenuation standard allows for a porosity evaluation of the sampled composite object.

듀보아의 방법은 전술된 펄스 에코 구조에 한정된다. 듀보아에 따르면, 각 에코를 표준화하기 위해 피험물체의 표면상에서 생성시 진폭과 표면 변위의 비교에 의해 생성 강도 및 검출 효율의 변화에 대한 보정이 필요하다. 이 접근법은 열탄성 체계에서 레이저 생성 초음파에만 적용될 수 있다. 또한, 듀보아의 이 방법은 피험물체의 표면을 통한 광의 투과에 의해 야기된 변화를 설명하지 않는다. 불행하게도 표면 변위는 초음파 펄스 에너지의 정확한 측정이 아니며, 투과 광으로부터의 기여를 설명하지 않는다. 예를 들어, 카본 에폭시 화합물에서, 초음파 생성 레이저의 광 투과는 표면의 에폭시 층의 두께에 달려 있으며, 실제로 상당히 변화되며 결정하기 어렵다. 또한, 표면 변위를 이용한 표준화는 생성 레이저가 플라즈마를 생성하는 제거 체계의 레이저 생성 초음파에 적용할 수 없다. 생성시에 강한 신호가 검출되더라도, 표면 변위의 기여를 포함하는 강한 신호는 플라즈마의 굴절률 동요에 의해 주로 야기된다.Duboa's method is limited to the pulse echo structure described above. According to Duboa, in order to standardize each echo, a correction for the change in the generation intensity and the detection efficiency is required by comparing the amplitude and the surface displacement during generation on the surface of the subject. This approach can only be applied to laser-generated ultrasound in thermoelastic systems. In addition, this method of Dubois does not account for the change caused by the transmission of light through the surface of the subject. Unfortunately surface displacement is not an accurate measure of the ultrasonic pulse energy and does not account for the contribution from the transmitted light. For example, in a carbon epoxy compound, the light transmission of the ultrasonic wave generating laser depends on the thickness of the epoxy layer on the surface, which is in fact significantly changed and difficult to determine. In addition, standardization using surface displacement is not applicable to laser generated ultrasound in a removal scheme where the generated laser generates plasma. Although a strong signal is detected at the time of generation, a strong signal, including the contribution of surface displacement, is mainly caused by the refractive index fluctuations of the plasma.

따라서 회절에 대한 보정을 하는 단일 에코를 사용하여 초음파 감쇠 측정을 얻기 위한 방법 및 시스템에 대한 요구가 존재한다.Thus, there is a need for a method and system for obtaining ultrasonic attenuation measurements using a single echo that corrects for diffraction.

본 발명에 따르면 초음파 감쇠를 사용하여 물체를 통해 전달된, 단일의 검출된 초음파 펄스로부터 물체의 물성을 결정하는 방법 및 시스템이 제공된다.According to the present invention there is provided a method and system for determining the physical properties of an object from a single detected ultrasonic pulse transmitted through the object using ultrasonic attenuation.

본 발명은 임의의 초음파 기술(예를 들어, 압전 트랜스듀서, 레이저 초음파 및 EMAT), 임의의 파형(예를 들어, 종파, 전단파 및 표면파) 및 임의의 생성/검출 구조(예를 들어, 펄스 에코, 투과 전송, 피치-캐치)에 적용될 수 있다. 주어진 기술에 대해, 파 모드 및 구조, 측정은 조사되는 물체 및 기준물체에서 실행된다. 기준물체는 피험물체의 고유 감쇠 및 신호 강도의 가능한 변화를 제외한 측정(대역폭, 회절 등)의 전체 시스템의 반응을 특정하는데 사용된다.The present invention provides for any ultrasonic technology (eg piezoelectric transducer, laser ultrasound and EMAT), any waveform (eg longitudinal wave, shear wave and surface wave) and any generation / detection structure (eg pulse echo). , Transmission, pitch-catch). For a given technique, wave modes, structures, and measurements are performed on the object under investigation and on the reference object. The reference object is used to specify the response of the entire system of the measurement (bandwidth, diffraction, etc.) excluding the subject's inherent attenuation and possible changes in signal strength.

따라서 물체의 물성을 결정하기 위해 초음파 감쇠를 사용하는 방법이 제공된다. 이 방법은 초음파 검출기로부터 상호작용 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상호작용 신호는 초음파 펄스가 물체에서 전달된 후 물체의 검출 위치에 부딪힌 광대역 초음파 펄스의 하나 이상의 형태를 의미한다. 물체를 통해 전달될 때 초음파 펄스는 하나 이상의 물리적 메커니즘에 의해 감쇠된다.Thus, a method of using ultrasonic attenuation to determine the physical properties of an object is provided. The method includes receiving an interaction signal from an ultrasonic detector. Interaction signal refers to one or more types of wideband ultrasonic pulses that hit the detection location of an object after the ultrasonic pulses have been delivered from the object. When delivered through an object, ultrasonic pulses are attenuated by one or more physical mechanisms.

감쇠된 초음파 펄스에 대응하는 상호작용 신호의 부분은 진폭 스펙트럼을 얻기 위해 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환된다. 상기 부분은 검출 위치에 작용하는 광대역 초음파 펄스의 단일 형태에 대응하는 상호작용 신호의 일부를 식별함으로써 결정될 수도 있다. 상호작용 신호에 다수의 에코가 존재할 경우, 가장 강력한 하나가 선택될 수도 있다. 상호작용 신호의 부분을 결정하는 것은, 검출 위치에 작용하는 광대역 초음파 펄스의 단일 형태에 대응하는 상호작용 신호의 일부를 선택하는 것에 대해 윈도우 선택 기능을 적용하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상호작용 신호와 초음파 펄스의 표준 프로파일의 상호상관(cross-correlation)이 윈도우 내의 형태를 집중시키는데 사용될 수도 있다. 피험물체에 대한 종래의 지식, 즉 초음파 에코우의 도달 시간을 추축하기 위해 피험물체에 대한 두께 및 초음파 속도의 평가치를, 상호작용 신호 내의 부분 검색을 좁히기 위해 상호작용 신호의 조악한 시간 윈도우를 결정하는 데 사용될 수도 있다.The portion of the interaction signal corresponding to the attenuated ultrasonic pulse is converted from the time domain to the frequency domain to obtain an amplitude spectrum. The portion may be determined by identifying a portion of the interaction signal corresponding to a single form of wideband ultrasonic pulse acting on the detection location. If there are multiple echoes in the interaction signal, the strongest one may be selected. Determining a portion of the interaction signal may include applying a window selection function to selecting a portion of the interaction signal corresponding to a single type of wideband ultrasound pulse acting on the detection location. For example, cross-correlation of the interaction signal and the standard profile of the ultrasonic pulse may be used to focus the shape within the window. Conventional knowledge of the subject, that is, an estimate of the thickness and ultrasonic velocity for the subject in order to estimate the time of arrival of the ultrasound echo, is used to determine the coarse time window of the interaction signal to narrow the partial search within the interaction signal. May be used.

일단 진폭 스펙트럼이 획득되면, 이 진폭 스펙트럼을 기준 진폭 스펙트럼과 비교하여 감쇠 스펙트럼을 획득한다. 기준 진폭 스펙트럼은 기준물체를 사용하여, 상기 진폭 스펙트럼과 유사한 방식으로 생성된다. 상기 기준물체는 광대역 초음파 펄스에 관해서, 피험물체와 같은 회절 특성을 갖지만, 기준 진폭 스펙트럼은 감쇠가 거의 없다. 왜냐하면, 기준물체에 대해서는, 기준물체의 진폭 스펙트럼의 감쇠를 보정하기 위해 사용되는 감쇠 파라미터들을 알고 있거나, 또는 감쇠가 무시될 정도의 기준물체가 선택되기 때문이다. 예를 들어, 상기 기준물체는 피험물체에 부합하는 형태를 갖도록 선택되고, 피험물체의 초음파 속도에 부합하는 초음파 속도를 갖지만 감쇠가 거의 없는 물질로 상기 기준물체가 구성될 수 있다.Once the amplitude spectrum is obtained, the amplitude spectrum is compared with the reference amplitude spectrum to obtain an attenuation spectrum. The reference amplitude spectrum is generated in a similar manner to the amplitude spectrum using the reference object. The reference object has the same diffraction characteristics as the test object with respect to the broadband ultrasonic pulse, but the reference amplitude spectrum has little attenuation. This is because, for the reference object, the attenuation parameters used to correct the attenuation of the amplitude spectrum of the reference object are known, or the reference object is selected so that the attenuation is neglected. For example, the reference object may be selected to have a shape corresponding to the subject, and the reference object may be configured of a material having an ultrasonic speed corresponding to the ultrasonic speed of the subject but having little attenuation.

감쇠 스펙트럼은 감쇠 파라미터를 획득하기 위해 주파수 의존 감쇠 모델에 적합화된다. 감쇠 파라미터는 감쇠에 의존하는 물체의 물성을 계산하는 데 사용될 수 있다. 감쇠 스펙트럼의 최적합 결정은, 피험물체와 기준물체 사이의, 주파수에 무관한 신호 강도의 변화를 설명하는 모델을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 상기 모델은, 감쇠 파라미터를 획득하기 위해 감쇠 스펙트럼의 미분계수를 사용하여 주파수에 무관한 신호 강도의 변화를 설명할 수 있다.The attenuation spectrum is fitted to a frequency dependent attenuation model to obtain the attenuation parameter. The damping parameter can be used to calculate the properties of the object depending on the damping. Determining the best fit of the attenuation spectra may include using a model that describes a change in signal strength independent of frequency between the subject and the reference object. In particular, the model can account for changes in signal strength independent of frequency using the derivative of the attenuation spectrum to obtain the attenuation parameter.

예를 들어, 최적합 결정은 측정된 감쇠 스펙트럼을 식

Figure 112012018761897-pct00001
의 곡선에 비교하는 것을 포함할 수도 있는데,
Figure 112012018761897-pct00002
는 신호 강도 변화를 설명하는 임의의 진폭 오프셋이고, m 및 n은 감쇠의 각각의 근본적인 메커니즘과 관련된 주파수 차수이고, 파라미터 a 및 b는 물성과 관련되어 포함된 메커니즘으로부터의 기여도를 나타내는 값이다. 감쇠에 대한 단일의 근본적인 메커니즘이 오직 하나 존재할 경우 파라미터 a는 0이다. 적합화하는 것은, m 및 n은 고정되고 감쇠 파라미터는 변하는 것을 포함할 수도 있다.For example, the best fit decision can be expressed by measuring the measured attenuation spectrum.
Figure 112012018761897-pct00001
It may also include comparing to the curve of
Figure 112012018761897-pct00002
Is any amplitude offset describing the change in signal strength, m and n are frequency orders associated with each underlying mechanism of attenuation, and parameters a and b are values representing contribution from the included mechanism in relation to physical properties. Parameter a is zero if there is only one fundamental mechanism for attenuation. Adapting may include that m and n are fixed and the attenuation parameter changes.

수신 및 변환 단계는 물체로부터의 다수의 상호작용 신호에 반복적으로 적용될 수 있고, 이 방법은 감쇠 스펙트럼으로 작용하는 다수의 신호의 평균을 계산하는 것을 더 포함할 수도 있다. The receiving and converting step may be applied repeatedly to a plurality of interacting signals from an object, and the method may further include calculating an average of the plurality of signals acting as attenuation spectra.

이 방법은, 시간 및 주파수 영역 모두에서 거부 기준(rejection criteria)을 사용하여, 상호작용 신호의 결정된 부분들 및 진폭 스펙트럼들 각각을 인증하는 것을 더 포함할 수 있다. The method may further include authenticating each of the determined portions and amplitude spectra of the interaction signal using rejection criteria in both the time and frequency domains.

이 방법은 감쇠 파라미터를 물성에 연관시키는 교정 곡선을 사용하는 것을 더 포함할 수도 있다. 이 물성은 예를 들어, 다결정 고체의 입자 크기, 또는 복합 물질의 다공성일 수도 있다.The method may further include using a calibration curve to associate the attenuation parameter to the physical property. This physical property may be, for example, the particle size of the polycrystalline solid, or the porosity of the composite material.

물체의 물성을 결정하기 위해 초음파 감쇠 측정용 시스템이 또한 제공된다. 이 시스템은 광대역 초음파 펄스를 물체 안으로 입사시키고, 물체를 통해 전달된 후 펄스를 검출하기 위한 초음파 펄스 생성 및 검출 셋 업, 검출된 초음파 펄스의 상호작용 신호를 디지털화하기 위한 수신기 및 신호 프로세서를 포함한다. 상기 신호 프로세서는 진폭 스펙트럼을 획득하기 위해 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 검출된 펄스의 단일 형태에 해당하는 상호작용 신호의 일부를 변환하도록 제작된다.A system for measuring ultrasonic attenuation is also provided to determine the physical properties of the object. The system includes ultrasonic pulse generation and detection setup for injecting wideband ultrasonic pulses into an object, and after passing through the object, a receiver and a signal processor for digitizing the interaction signal of the detected ultrasonic pulses. . The signal processor is designed to convert a portion of the interactive signal corresponding to a single form of pulse detected from the time domain to the frequency domain to obtain an amplitude spectrum.

신호 프로세서는 진폭 스펙트럼을 기준 진폭 스펙트럼과 비교하여 감쇠 스펙트럼을 계산한다. 기준 진폭 스펙트럼은, 물체의 회절 특성과 동일한 회절 특성을 갖는 기준물체로부터 얻어진다. 기준 진폭 스펙트럼은 감쇠가 거의 없다. 신호프로세서는 상기 감쇠 스펙트럼을, 물성을 결정하기 위해 사용되는 감쇠 파라미터를 결정하는 모델에 일치시킨다.The signal processor calculates the attenuation spectrum by comparing the amplitude spectrum with the reference amplitude spectrum. The reference amplitude spectrum is obtained from a reference object having the same diffraction characteristics as that of the object. The reference amplitude spectrum has little attenuation. The signal processor matches the attenuation spectrum to a model that determines the attenuation parameter used to determine the physical properties.

신호 프로세서는 진폭 스펙트럼을 생성하기 위해 하나 이상의 위치에서 물체로부터 다수의 상호작용 신호의 평균을 계산하도록 적용된다. 신호 프로세서는 진폭 스펙트럼을 생성하기 위해 다수의 상호작용 신호의 시간 또는 주파수 영역 평균 프로세스를 실행하도록 적용될 수도 있다.The signal processor is adapted to calculate the average of a number of interactive signals from an object at one or more locations to generate an amplitude spectrum. The signal processor may be applied to perform a time or frequency domain averaging process of multiple interacting signals to generate an amplitude spectrum.

상기 시스템은 물체의 표면에 대해 스캐닝하는 제어된 동작 시스템(controlled motion system)을 추가로 포함할 수도 있다. 상기 신호 프로세서는 물체의 물성에 대한 이미지를 생성하기 위해 감쇠 파라미터를 추가로 사용할 수도 있다.The system may further include a controlled motion system that scans the surface of the object. The signal processor may further use the attenuation parameter to generate an image of the physical properties of the object.

초음파 펄스 생성 및 검출 셋 업은 광대역 초음파 펄스 생성을 위한 생성 레이저 및 광대역 초음파 펄스의 형태를 검출하기 위한 광 검출 시스템에 결합된 검출 레이저를 포함할 수도 있다. 생성 레이저 및 검출 레이저는 피험물체의 동일한 면으로 향할 수도 있다.Ultrasonic pulse generation and detection setup may include a generation laser for wideband ultrasonic pulse generation and a detection laser coupled to a light detection system for detecting the shape of the wideband ultrasonic pulse. The production laser and detection laser may be directed to the same side of the subject.

본 발명의 보다 나은 이해와 이득이 첨부된 도면을 참고로 하는 후술되는 내용으로 제공되며, 동일한 구성은 동일한 참고번호를 갖는다.A better understanding and benefit of the present invention is provided in the following description with reference to the accompanying drawings, in which like components have the same reference numerals.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 개략도.1 is a schematic diagram of a system in accordance with one embodiment of the present invention;

도2a는 초음파 감쇠를 사용하여 물체의 공극을 결정하기 위한 방법의 블록도.2A is a block diagram of a method for determining voids in an object using ultrasonic attenuation.

도2b는 도2a의 방법에 사용된 기준 스펙트럼을 획득하기 위한 방법의 블록도.2B is a block diagram of a method for obtaining a reference spectrum used in the method of FIG. 2A.

도3a는 레이저 초음파 시스템을 사용하여 획득된 시간 영역 주파수 상호작용 신호의 예.3A is an example of a time domain frequency interaction signal obtained using a laser ultrasound system.

도3b는 레이저 초음파 상호작용 신호의 윈도우 및 대응하는 진폭 스펙트럼의 예.3B is an example of a window and a corresponding amplitude spectrum of a laser ultrasonic interaction signal.

도4a는 물체의 검출 위치에서의 단일 측정으로부터 획득된 초음파 상호작용 신호.4A is an ultrasonic interaction signal obtained from a single measurement at the detection position of an object.

도4b는 물체의 12개 위치에서의 측정으로부터 얻어진 평균 초음파 상호작용 신호.4B is an average ultrasonic interaction signal obtained from measurements at twelve positions of the object.

도5a는 물체 및 기준 진폭 스펙트럼의 예.5A is an example of an object and reference amplitude spectrum.

도5b는 측정되어, 하나의 모델에 일치되는 감쇠 스펙트럼.5B is an attenuation spectrum measured and matched to one model.

도6은 입자 크기 측정 애플리케이션에서 획득된 상호작용 신호를 나타내는 도.6 illustrates an interaction signal obtained in a particle size measurement application.

도7a는 일치된 감쇠 파라미터 'b'에 대한 교정 곡선의 예.7A is an example of a calibration curve for the matched attenuation parameter 'b'.

도7b는 금속조직학에 의해 획득된 입자 크기에 대해 레이저 초음파 시스템으로 온라인 측정된 입자 크기의 도식적인 비교도.FIG. 7B is a schematic comparison of particle size measured online with a laser ultrasound system against particle size obtained by metallography. FIG.

도8a는 복합재 샘플의 공극 영역들(locations of porosity)을 나타내는 C 스캔 이미지.FIG. 8A is a C scan image showing locations of porosity of a composite sample. FIG.

도8b는 복합재 샘플의 공극 영역들에서의 감쇠 스펙트럼들.8B shows attenuation spectra in the void regions of the composite sample.

본 발명은 검출되고, 감쇠된 광대역 초음파 펄스를 사용하여 피험물체의 초음파 감쇠를 측정하는 방법 및 시스템을 제공한다. 이 방법은 추가의 에코, 표면 변위등을 고려하지 않고 감쇠된 광대역 초음파 펄스를 기반으로 하는 측정을 허용한다. 실제로, 검출되고, 감쇠된 단일의 광대역 초음파 펄스는 피험물체의 기하학적 파라미터 및 회절을 보정하는 기준 광대역 초음파 펄스와의 비교에 의해 효과적으로 표준화될 수 있다. 기준 광대역 초음파 펄스는 광대역 초음파 펄스에 대해 피험물체와 동일한 회절 특성을 갖는 기준물체에서 획득될 수 있다. 기준과의 비교는, 검출된 스펙트럼을 기준 스펙트럼으로 나눔으로써 주파수 영역에서 이루어질 수 있다. 중요한 것은 기준 스펙트럼은 거의 감쇠되지 않는다는 것인데, 기준물체를 통한 감쇠가 무시해도 좋을 정도로 적거나 기준물체에서의 감쇠가 충분하게 특징지을만해서 기준 스펙트럼으로부터 제거되기 때문이다.The present invention provides a method and system for measuring ultrasonic attenuation of a subject using detected, attenuated broadband ultrasonic pulses. This method allows measurements based on attenuated broadband ultrasonic pulses without considering additional echoes, surface displacements, etc. Indeed, a single wideband ultrasound pulse that has been detected and attenuated can be effectively normalized by comparison with a reference broadband ultrasound pulse that corrects the geometrical parameters and diffraction of the subject. The reference wideband ultrasound pulse may be obtained from a reference object having the same diffraction characteristics as the test subject with respect to the wideband ultrasound pulse. Comparison with the reference can be made in the frequency domain by dividing the detected spectrum by the reference spectrum. The important thing is that the reference spectrum is rarely attenuated, because the attenuation through the reference object is negligibly small or is sufficiently characteristic that the attenuation in the reference object is removed from the reference spectrum.

제시된 방법은, 낮은 주파수에서 양호한 응답을 갖는 광대역 초음파 시스템에 특히 효과적이다. 또한, 이 방법은 측정되는 감쇠가 주파수에 따라 변할 것을 요구하는데, 이는 물체의 초음파 상호작용의 대부분의 메커니즘에 있어서 그러하다.The presented method is particularly effective for wideband ultrasound systems with good response at low frequencies. In addition, this method requires that the attenuation to be measured varies with frequency, which is the case for most mechanisms of ultrasonic interaction of an object.

도1은 제시된 초음파 감쇠 방법을 적용할 때 일실시예에 따르는 장치를 나타낸다. 개괄적으로 말해서, 상기 장치는 피험물체(10)에 광대역 초음파 펄스를 생성하는 시스템, 피험물체(10) 일부를 통한 전달 이후 광대역 초음파 펄스를 검출하는 시스템 및 피험물체(10)의 감쇠를 측정하기 위해 결합되는 신호 프로세서를 포함한다. 조사되고 있는 피험물체(10)는 임의의 기하학적 형상일 수 있으며, 사용되는 구조에 따라, 피험물체(10)의 일 측면만이 접근가능할 필요가 있다. 1 shows an apparatus according to one embodiment when applying the presented ultrasonic attenuation method. In general terms, the apparatus includes a system for generating wideband ultrasonic pulses on a subject 10, a system for detecting wideband ultrasonic pulses after delivery through a portion of the subject 10, and to measure attenuation of the subject 10. A signal processor coupled. The subject 10 being investigated may be of any geometry and, depending on the structure used, only one side of the subject 10 needs to be accessible.

비록 다른 실시예에서는, 앞서 확인된 것을 포함하는 다른 생성 수단들이 사용될 수 있지만, 예시된 시스템에서는, 광대역 초음파 펄스를 발생시키는 생성 레이저(12)가 포함되어 있다. 현재 더욱 바람직한 실시예에서, 생성 레이저(12)는 피험물체(10)의 초음파 펄스를 포함하기 위한 절제 또는 열탄성 체계에서 동작하는 펄스화된 레이저이다. 펄스화된 레이저의 적절한 파장과 전력 강도, 및 피험물체(10) 표면의 생성 위치는 소정의 특성을 갖는 피험물체(10)안에 초음파 펄스를 발생시키기 위한 구조 및 물질에 따라 선택될 수 있다.Although other generating means, including those identified above, may be used in other embodiments, in the illustrated system, a generating laser 12 for generating wideband ultrasonic pulses is included. In a presently more preferred embodiment, the generating laser 12 is a pulsed laser that operates in an ablation or thermoelastic regime to include ultrasonic pulses of the subject 10. Appropriate wavelengths and power intensities of the pulsed laser and the location of generation of the surface of the subject 10 may be selected according to the structure and material for generating the ultrasonic pulse in the subject 10 having certain characteristics.

광대역 초음파 펄스 검출 시스템은 검출 레이저(detection laser)(14) 및 광 검출 시스템(optical detection system)(16)을 포함할 수 있다. 검출 레이저(14)는 긴 펄스 레이저(long pulse laser), 또는 피험물체(10) 표면의 검출 위치 위로 광선을 조사하는 연속적인 레이저(continuous laser)일 수 있다. 전술된 바와 같이, 검출 위치 및 생성 위치는, 펄스 에코 구조(pulse-echo configuration)에서는 동일하고, 관통 전송 구조(through transmission configuration)에서는 대향하는 면들에 있으며, 피치 캐치 구조(pitch-catch configuration)에 따르면 (보통 동일한 면에서) 거리를 두고 떨어져 있다. 검출 레이저(14)는, 검출 위치에서 피험물체(10)의 상대적으로 낮은 반사율을 보상하면서, 검출을 위해 적절한 광 파워를 제공하게끔, 비교적 높은 파워의 레이저일 수 있다.The broadband ultrasonic pulse detection system may include a detection laser 14 and an optical detection system 16. The detection laser 14 may be a long pulse laser or a continuous laser that irradiates a beam over a detection location on the surface of the subject 10. As described above, the detection position and the generation position are the same in the pulse-echo configuration, on opposite sides in the through transmission configuration, and in the pitch-catch configuration. According to them, they are spaced apart (usually on the same side). The detection laser 14 may be a laser of relatively high power to provide a suitable optical power for detection while compensating for the relatively low reflectance of the subject 10 at the detection position.

일부 실시예에서, 생성 레이저(12) 및/또는 검출 레이저(14) 및 광검출 시스템(16)이 다수의 생성 및 검출 위치 쌍에서 초음파 측정을 수행하기 위해 피험물체(10)에 대해 이동할 수 있는 것이 바람직하다. 다수의 측정은 상이한 위치에서 피험물체(10)의 물리적 특성 검출을 위해 개별적으로 사용될 수 있고 및/또는 높은 정확도로 피험믈체의 물리적 특성의 평균 측정치를 생성하기 위해 공간적 평균에 대해 결합할 수 있다. 이것은 예를 들어 피험물체(10)의 이동, 장치의 이동 또는 광학 장치의 이동에 의해 이루어질 수 있다.In some embodiments, generation laser 12 and / or detection laser 14 and photodetection system 16 may move relative to subject 10 to perform ultrasonic measurements at multiple generation and detection location pairs. It is preferable. Multiple measurements can be used individually for detecting the physical properties of the subject 10 at different locations and / or combined against the spatial mean to produce an average measurement of the physical properties of the subject with high accuracy. This can be done, for example, by movement of the subject 10, movement of the device or movement of the optical device.

검출 레이저(14)는 안정화된 공초점의 패브리 페럿 간섭계(stabilized confocal Fabry-Perot interferometer)와 같은 시간지연 간섭계이거나, 앞서 소개된 바와 같은 파면 적용을 위한 비선형 광 성분을 포함할 수도 있는 광학 검출 시스템(16)에 결합된다. 광 검출 시스템(16)은 전기적 상호작용 신호를 신호 캡쳐 및 프로세서 유닛(18)으로 출력한다. 예를 들어, 신호 캡쳐 및 프로세서 유닛(18)은 전기적 상호작용 신호를 디지털화하기 위해 아날로그 대 디지털 신호 변환기(A/D)를 포함할 수도 있다.The detection laser 14 is a time delay interferometer, such as a stabilized confocal Fabry-Perot interferometer, or an optical detection system that may include a nonlinear light component for wavefront applications as previously introduced ( 16). The light detection system 16 outputs an electrical interaction signal to the signal capture and processor unit 18. For example, the signal capture and processor unit 18 may include an analog to digital signal converter (A / D) to digitize the electrical interaction signal.

신호 캡쳐 및 프로세서(18)는 상호작용 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하도록 적응되는데, 예를 들어 상호작용 신호에 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)을 적용하여 검출된 초음파 펄스의 진폭 스펙트럼을 생성하도록 적응된다. 바람직하게는 당업계에 잘 알려진 고속 푸리에 변환 알고리즘이 사용된다. 바람직한 실시예에서, 상호작용 신호의 오직 일부분만 변환되며, 상기 일부분은, 오직 관련된 초음파 에코만 진폭 스펙트럼에 나타나게 하고 다수의 반사 또는 에코는 합성되지 않게 해주는 윈도우 선택 기능에 의해 선택된다.The signal capture and processor 18 is adapted to transform the interactive signal from the time domain to the frequency domain, for example by applying a Discrete Fourier Transform to the interactive signal to generate an amplitude spectrum of the detected ultrasonic pulses. Is adapted to. Preferably a fast Fourier transform algorithm well known in the art is used. In a preferred embodiment, only a portion of the interaction signal is transformed, which portion is selected by a window selection function such that only relevant ultrasonic echoes appear in the amplitude spectrum and multiple reflections or echoes are not synthesized.

신호 캡쳐 및 프로세서(18)는 또한 기준물체와 피험물체(10)의 진폭 스펙트럼을 비교하여 감쇠 스펙트럼을 생성하도록 되어 있다. 기준 진폭 스펙트럼은 피험물체(10)의 진폭 스펙트럼과 동일한 방식으로 생성된다. 일부 실시예에서, 기준믈체는 피험물체(10)의 형상과 동일하고, 동일한 회절 특성을 가지나, 광대역 초음파 펄스는 기준물체를 통한 전달시 대체로 전혀 감쇠되지 않는 것으로 나타난다. 이와 달리 다른 형상을 가지나 동등한 회절 특성을 갖는 기준물체를 사용하여 동등한 기준 진폭 스펙트럼을 획득할 수 있다. 저감쇠 기준 진폭 스펙트럼은, 초음파 과학분야에 알려진 방정식을 사용하여, 검출된 진폭 스펙트럼을 보정함으로써 훌륭하게 특징지어진 감쇠를 갖는 가준 물체를 사용하여 생성될 수 있다. The signal capture and processor 18 is also configured to compare the amplitude spectra of the reference object and the subject 10 to generate an attenuation spectrum. The reference amplitude spectrum is generated in the same manner as the amplitude spectrum of the subject 10. In some embodiments, the reference body is identical in shape to the subject 10 and has the same diffraction characteristics, but the broadband ultrasound pulses appear to be generally not attenuated at all upon delivery through the reference object. Alternatively, an equivalent reference amplitude spectrum may be obtained by using a reference object having a different shape but having equivalent diffraction characteristics. The attenuation reference amplitude spectrum can be generated using a pseudo object with attenuation that is well characterized by correcting the detected amplitude spectrum using equations known in the ultrasonic sciences.

신호 캡쳐 및 프로세서(18)는 또한 감쇠 스펙트럼을 하나의 모델에 일치시킨다. 상기 모델의 곡선과 피험물체 감쇠 스펙트럼의 최적합은 피험물체의 하나 이상 의 감쇠 파라미터를 제공한다. 그 다음 하나 이상의 감쇠 파라미터가 초음파 감쇠와 함께 변화하는 피험물체의 물리적 특성을 도출하는데 사용된다. 바람직하게는 신호 캡쳐 및 프로세서(18)가 상호작용 신호, 진폭 스펙트럼, 감쇠 스펙트럼, 감쇠 파라미터 및 프로세싱을 수행하기 위한 프로그램 명령뿐만 아니라 도출된 물리적 특성을 저장하기 위한 메모리에 액세스해야 한다. 적어도 상기 도출된 물리적 특성은 대체로 출력(19)이다. 하나 이상의 저장된 정보는 예를 들어 디스플레이 유닛 또는 다른 출력 장치에 의해 그래픽적으로 또는 수치적으로 디스플레이될 수도 있다. 신호 캡쳐 및 프로세서(18)는 하나의 범용 컴퓨터를 포함할 수도 있다.The signal capture and processor 18 also matches the attenuation spectrum to one model. The optimal sum of the curve and the subject attenuation spectrum of the model provides one or more attenuation parameters of the subject. One or more attenuation parameters are then used to derive the physical properties of the subject that change with ultrasonic attenuation. Preferably, the signal capture and processor 18 must access memory for storing interactive signals, amplitude spectra, attenuation spectra, attenuation parameters, and program instructions for performing processing, as well as derived physical characteristics. At least the derived physical characteristic is usually an output 19. One or more stored information may be displayed graphically or numerically, for example by a display unit or other output device. Signal capture and processor 18 may include one general purpose computer.

도2a는 초음파 감쇠 측정 방법의 일실시예를 나타낸다. 명확한 설명을 위해, 도3a, 도3b, 도4a, 도4b, 도5a 및 도5b를 관련된 단계의 설명에서 나타낸다. 단계 100에서, 감쇠된 광대역 초음파 펄스를 나타내는 상호작용 신호가 예를 들어, 도1의 광 검출 시스템(16)으로부터 신호 수신 하드웨어를 통해 수신된다. 상호작용 신호는 시변 진폭 신호로, 상기 진폭은 피험물체 표면의 검출 위치에서 초음파의 도달로 인한 표면 전이와 관련된다. Figure 2a shows an embodiment of the ultrasonic attenuation measurement method. For clarity, Figures 3A, 3B, 4A, 4B, 5A and 5B are shown in the description of the steps involved. In step 100, an interactive signal indicative of the attenuated wideband ultrasonic pulse is received, for example, via signal receiving hardware from the light detection system 16 of FIG. The interaction signal is a time varying amplitude signal, which amplitude is related to the surface transition due to the arrival of the ultrasonic wave at the detection position of the subject surface.

피치 캐치 구조의 도1의 장치를 사용하여 검출된 상호작용 신호의 예가 도3a에 예시되어 있다. 상호작용 신호는 교란 발생과 함께 시작되는데, 광 검출 시스템(16)은 생성 레이저로부터 의사 반사 광의 공격을 받거나, 검출 광이 생성된 플라즈마에 의해 강하게 변조된다. 생성 구조는 생성 및 검출 레이저 모두에 대해 공통의 파장을 사용함으로써 악화될 수 있다. 이어서, 상호작용 신호는 광대역 초음파 펄스의 제1, 제2 및 제3 에코를 나타낸다. 도3a의 예시된 상호작용 신호에서, 피치 캐치 구조가 저 감쇠 물체에 사용되었다. 이 구조에서의 강한 회절 효과는 제2 및 제3 에코보다 더 낮은 진폭을 갖는 제1 에코를 야기한다. 이러한 실시예의 강력한 초기 회절 때문에, 높은 품질을 갖는 초음파 펄스의 제2 에코가 감쇠 측정을 위해 사용될 수도 있다. 또한 전단파가 상호작용 신호에 명백하다는 것도 언급한다. 설명의 목적으로, 종파가 측정을 위해 사용되지만, 대안으로 다른 초음파가 다른 실시예에서 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 이 방법은 임의의 구조(펄스 에코, 관통 전송, 피치 캐치 등)의 임의의 초음파 모드(종파, 전단파, 표면파 등)에 적용될 수 있다는 것도 언급한다. An example of the interaction signal detected using the apparatus of FIG. 1 of the pitch catch structure is illustrated in FIG. 3A. The interaction signal begins with a disturbance occurrence, in which the light detection system 16 is attacked by the pseudo reflected light from the generating laser, or is strongly modulated by the generated plasma. The production structure can be worsened by using a common wavelength for both the production and detection lasers. The interaction signal then represents the first, second and third echoes of the wideband ultrasound pulse. In the illustrated interaction signal of FIG. 3A, a pitch catch structure was used for the low damping object. The strong diffraction effect in this structure results in a first echo having a lower amplitude than the second and third echoes. Because of the strong initial diffraction of this embodiment, a second echo of a high quality ultrasonic pulse may be used for the attenuation measurement. It also mentions that shear waves are evident in the interaction signal. For purposes of explanation, longitudinal waves are used for the measurement, but it will be understood that other ultrasonic waves may alternatively be used in other embodiments. It is also mentioned that this method can be applied to any ultrasonic mode (long wave, shear wave, surface wave, etc.) of any structure (pulse echo, through transmission, pitch catch, etc.).

따라서 분석될 상호작용 신호의 소정의 부분을 확인하기 위한 메커니즘이 필요하다. 본 발명은 현재 소정의 초음파 펄스의 단일 형태(에코)에 관련된 상호작용 신호의 일부를 확인하기 위해 윈도우 선택 기능을 사용할 것을 제기한다. 관통 전송 구조에 따르면 초음파 펄스가 어떤 벽에서 반사되지 않을지라도, 초음파 펄스의 단일 형태를 구성하는 상호작용 신호의 부분을 에코라고 칭한다. 물체의 두께 및 초음파 속도가 대략 알려져 있을 경우, 에코의 조악한 시간 윈도우의 사전 선택에 의해 검색을 좁히는 것이 바람직하다. 그 다음, 근접 소음으로부터 에코를 확인하는 것과 좁은 시간 윈도우에 집중되는 것을 돕기 위해, 초음파 펄스의 표준 프로파일과의 비교를 포함하는 상호상관(cross-correlation) 방법이 사용될 수 있다. 에코가 사용될 수 있는지를 결정하기 위해, 통상적인 방법으로 결정된 잡음 레벨과 에코의 피크 진폭이 비교될 수도 있다. 상호작용 신호는 에코의 품질이 너무 낮은 경우 거부될 수도 있다.Therefore, a mechanism is needed for identifying certain portions of the interaction signal to be analyzed. The present invention contemplates using the window selection function to identify some of the interactive signals related to a single form (eco) of a given ultrasonic pulse. According to the through transmission structure, even if the ultrasonic pulse is not reflected from any wall, the portion of the interaction signal constituting a single form of the ultrasonic pulse is called an echo. If the thickness and ultrasonic velocity of an object are approximately known, it is desirable to narrow the search by preselection of the coarse time window of the echo. Then, a cross-correlation method can be used that includes comparing the echo pulses with a standard profile to help identify echoes from nearby noise and to concentrate on a narrow time window. To determine if an echo can be used, the noise level determined in a conventional manner may be compared with the peak amplitude of the echo. The interaction signal may be rejected if the quality of the echo is too low.

에코는 진폭 스펙트럼을 도출하는 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)의 적용(단계 104)에 의해 주파수 영역으로 나타난다. 예를 들어, 고속 푸리에 변환(Fast Frourier Transform, FFT) 알고리즘이 사용될 수 있다. 거부 기준은 시간 영역과 주파수 영역 모두에서 사용되어 소음에 대해 에코가 식별될 수 있음을 보증하고, 기대하는 스펙트럼 형상(예를 들어, 가우시안(Gaussian))과의 유사성이, 진폭 스펙트럼을 수용할 것인지 거부할 것인지를 결정하는 데 활용될 수 있다. 상호작용 신호가 신호 처리 기술의 대상이 되어 앨리어싱(aliasing)을 방지하고 스펙트럼 누출(spectral leakage)을 최소화하는 것은 업계에 일반적으로 실행되고 있는, 당업자에게는 자명한 것이다. 도3b는 시간 영역 상호작용 신호를 개략적으로 예시하는데, 에코 A로 표시되는 에코가 선택되어 시간 윈도우 내로 집중되고, 진폭 스펙트럼이 획득된다. 펄스 에코 구조가 이 상호작용 신호를 생성하기 위해 사용되었다.The echo is represented in the frequency domain by the application of a Discrete Fourier Transform (DFT) (step 104) to derive the amplitude spectrum. For example, a fast Fourier transform (FFT) algorithm may be used. Rejection criteria are used in both the time domain and the frequency domain to ensure that echoes can be identified for noise, and that similarity to the expected spectral shape (eg Gaussian) will accommodate the amplitude spectrum. It can be used to decide whether to reject. It is apparent to those skilled in the art that interactive signals are subject to signal processing techniques to prevent aliasing and minimize spectral leakage. 3B schematically illustrates a time domain interaction signal, in which an echo represented by echo A is selected and concentrated into a time window, and an amplitude spectrum is obtained. Pulsed echo structures were used to generate this interaction signal.

예를 들어 초음파 펄스 에코의 진폭 스펙트럼이 피험물체의 물성을 신뢰할 수 있게 결정하기 위해 요구되는 품질의 감쇠 스펙트럼을 제공하기 위해 불충분한 SNR을 가질 경우, 일부 실시예에서는, 다수의 진폭 스펙트럼 측정값의 평균을 계산하여 높은 정확도의 측정값을 제공하는 것이 바람직하다. 평균하는 것이 상호작용 신호를 사용하여 시간 영역에서 수행되는 것과 동시에, 주파수 영역에서 추가하는 것이 바람직하다. 다수의 스펙트럼을 평균하여, 더욱 높은 품질의 진폭 스펙트럼이 생성될 수도 있다. 윈도우 선택 기능이, 에코들이 실질적으로 동조화되는 것을 보증하기 때문에, 다수의 스펙트럼들을 평균할 때 윈도우 선택 기능의 정확도는 더욱 중요해진다. 즉, 윈도우 선택 기능이 상이한 에코들을 일시적으로 정렬하여, 정확하게 게이트된 에코들이 진폭 스펙트럼들을 생성하기 위해 사용되어, 임의의 중첩 오프셋으로 인한 에러를 최소화한다.For example, if the amplitude spectrum of an ultrasonic pulse echo has insufficient SNR to provide an attenuation spectrum of the quality required to reliably determine the physical properties of the subject, in some embodiments, a plurality of amplitude spectral measurements It is desirable to calculate the average to provide a high accuracy measurement. While averaging is performed in the time domain using the interaction signal, it is desirable to add in the frequency domain. By averaging multiple spectra, higher quality amplitude spectra may be produced. Since the window selection function ensures that the echoes are substantially synchronized, the accuracy of the window selection function becomes more important when averaging multiple spectra. That is, the window selection function temporarily aligns the different echoes so that correctly gated echoes are used to generate amplitude spectra, minimizing errors due to any overlapping offset.

예를 들어, 윈도우 선택 기능은, 상이한 생성 및 검출 위치들에서의 피험물체의 두께 변화에 대한 보정이 필요한 경우 강점을 갖는다. 검출 및 생성 위치들에서의 피험물체의 두께의 차이는, 초음파 펄스의 생성 및 검출 위치에서의 펄스의 나타남 사이에 시간의 차이를 야기한다. 이와 같은 두께 변화가 존재할 경우, 각 에코는 일시적으로 정렬되지 않을 수도 있고, 디지털 신호의 합은 훌륭한 품질의 집합적인 디지털 신호를 생성하지 않는다. 윈도우 선택 기능은 스펙트럼의 일시적인 오프셋에 의해 야기된 에러를 제거하기 위한 하나의 메커니즘이다.For example, the window selection function has an advantage when correction for the thickness change of the subject at different generation and detection positions is required. The difference in the thickness of the subject at the detection and generation positions causes a difference in time between the generation of the ultrasonic pulse and the appearance of the pulse at the detection position. If there is such a thickness change, each echo may not be temporarily aligned, and the sum of the digital signals does not produce a collective digital signal of good quality. The window selection function is one mechanism for removing the error caused by the temporal offset of the spectrum.

많은 다양한 형태의 평균 계산이 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 FFT 출력으로부터 진폭 및 위상 정보를 포함하는 복합 스펙트럼을 사용하여 주파수 영역 평균할 것을 제기한다. 결과적으로 발생하는 진폭 스펙트럼의 평활도는 개선됨을 나타낸다. 다양한 위치에서의 측정값을 평균하는 것은 특정 상태에서 여러 강점을 갖는다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 피험물체 표면상의 검출 지점의 위치에 따라 변화하는 위상 오프셋에 간섭성 잡음이 존재할 경우, 다수의 검출 위치에서의 평균은 SNR을 통계적으로 개선할 것이다. 이와 같은 간섭성 잡음의 일 예가 다결정 물체의 상호작용 신호에 존재하는 간섭성 후방산란 입자 잡음(coherent backscattered grain noise)이다.It will be appreciated that many different forms of average calculation can be applied. The present invention addresses frequency domain averaging using complex spectra including amplitude and phase information from the FFT output. The resulting smoothness of the amplitude spectrum indicates an improvement. It will be appreciated that averaging measurements at various locations has several strengths under certain conditions. For example, if there is coherent noise at a phase offset that changes with the location of the detection point on the subject surface, the average at multiple detection locations will statistically improve the SNR. One example of such coherent noise is coherent backscattered grain noise present in the interaction signal of a polycrystalline object.

따라서, 선택적인 단계 106 내지 108이 평균을 하기 위해 적용될 수도 있다. 단계 106에서, 평균해야할 다른 진폭 스펙트럼이 존재하는지를 결정한다. 평균해야할 다른 진폭 스펙트럼이 존재할 경우, 프로세스는 단계 100으로 돌아간다. 수용할 수 있는 감쇠 스펙트럼을 제공해야 하는 진폭 스펙트럼의 수는 경험적으로 정해질 수 있으며, 상이한 응용에 대한 정확한 요구를 필요로 한다. 마지막 진폭 스펙트럼이 일단 획득되면, 진폭 스펙트럼들은 단계 108에서 평균되고 평균 진폭 스펙트럼은 단계 110에서 처리된다.Thus, optional steps 106-108 may be applied to average. In step 106, it is determined whether there are other amplitude spectra to be averaged. If there are other amplitude spectra to be averaged, the process returns to step 100. The number of amplitude spectra that must provide an acceptable attenuation spectrum can be empirically determined and requires precise requirements for different applications. Once the last amplitude spectrum is obtained, the amplitude spectra are averaged in step 108 and the average amplitude spectrum is processed in step 110.

도4a, 도4b는 상호작용 신호의 소음저감을 위한 평균화의 효과를 개략적으로 도시한다. 도4a에서, 하나의 단일 상호작용 신호가 수신된 것으로 나타나지만, 12개의 상호작용 신호가 도4b에 나타난 평균 상호 작용 신호를 생성하기 위해 시간 영역에서 평균된다. 이 12개의 신호는 윈도윙 없이 시간 영역에서 추가되고, 초음파 생성에 대해 일시적으로 정렬되는데, 이것은 예를 들어, 동일한 생성 및 검출 위치에서 측정값을 평균할 때 또는 두께가 각 측정값에 의해 변하지 않을 때에 적당하다. 당업자는 도4b가 도4a에 비해 개선된 SNR을 예시하는 것을 이해할 수 있을 것이다.4A and 4B schematically show the effect of averaging for noise reduction of the interaction signal. In FIG. 4A, one single interaction signal appears to have been received, but twelve interaction signals are averaged in the time domain to produce the average interaction signal shown in FIG. 4B. These twelve signals are added in the time domain without windowing, and are temporarily aligned with respect to the ultrasonic generation, for example when the averages are measured at the same generation and detection positions or the thickness will not change with each measurement. It is suitable for time. Those skilled in the art will appreciate that FIG. 4B illustrates the improved SNR over FIG. 4A.

단계 110에서, 피험물체의 진폭 스펙트럼은 기준물체의 진폭 스펙트럼과 비교된다. 전술된 바와 같이, 기준 진폭 스펙트럼은 피험물체 대신에 기준물체에 단계 100 내지 108을 적용하여 생성될 수도 있는데, 기준물체는 피험물체의 회절 특성과 동일한 회절 특성을 갖지만(초음파에 대해), 대체로 감쇠는 갖지 않는다. 따라서 기준 진폭 스펙트럼은 도2b를 참고로 하여 아래에 기재되는 방법을 사용하여 도출될 수 있다.In step 110, the amplitude spectrum of the subject is compared with the amplitude spectrum of the reference object. As mentioned above, the reference amplitude spectrum may be generated by applying steps 100 to 108 to the reference object instead of the subject, which has the same diffraction characteristics (for ultrasound) as the diffraction characteristic of the subject (usually for ultrasound), Does not have Thus, the reference amplitude spectrum can be derived using the method described below with reference to FIG. 2B.

좀더 엄밀하게 말하면, 주파수 함수인 피험물체의 초음파 감쇠(즉, 감쇠 스펙트럼)는 기준물체의 스펙트럼 대 피험물체의 스펙트럼 사이의 비로써 계산된다. 일반적으로 감쇠는 파에 의해 이동한 거리의 함수이며, 따라서 감쇠 스펙트럼은 초음파 펄스가 피험물체에서 이동한 관통 거리에 의해 나눠질 수 있다. 이 거리는 사전결정되고, 기계적으로 측정될 수 있고, 또는 생성 및 검출 사이의 이동 시간 또는 에코들 사이의 시간에 의해 계산될 수도 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.More precisely, the ultrasonic attenuation (ie, attenuation spectrum) of the subject as a function of frequency is calculated as the ratio between the spectra of the reference object and the spectra of the subject. In general, the attenuation is a function of the distance traveled by the wave, so the attenuation spectrum can be divided by the penetration distance traveled by the ultrasonic pulse in the subject. It will be understood by those skilled in the art that this distance can be predetermined, measured mechanically, or calculated by the travel time between generation and detection or the time between echoes.

예를 들어, 데시벨 단위로 감쇠 스펙트럼을 계산하기 위해 다음의 식이 사용될 수 있는데,For example, the following equation can be used to calculate the attenuation spectrum in decibels:

Figure 112008000658113-pct00003
Figure 112008000658113-pct00003

f는 주파수이고, α는 획득된 감쇠 스펙트럼이며, d는 초음파 펄스에 의해 이동된 거리이며, Aref(f)는 낮은 감쇠를 갖는 기준물체에서 획득된 신호의 진폭 스펙트럼이며, A(f)는 피험물체의 진폭 스펙트럼이다. 감쇠 스펙트럼 α는 기준물체에 관련된 상대적인 감쇠 측정값이라는 것을 알 수 있을 것이다. 아래에 기재되는 바와 같이 감쇠 스펙트럼이 모델에 일치되면, 물성을 평가하기 위해 절대적인 감쇠 스펙트럼은 필요하지 않다. 기준물체가 어떤 알려진 감쇠를 나타내는 경우에는, 이러한 감쇠는 식(1)의 Aref로부터 쉽게 제거된다.f is frequency, α is the attenuation spectrum obtained, d is the distance traveled by the ultrasonic pulse, Aref (f) is the amplitude spectrum of the signal obtained from the reference object with low attenuation, and A (f) is the test The amplitude spectrum of an object. It will be appreciated that the attenuation spectrum α is a relative measure of attenuation relative to the reference object. If the attenuation spectrum is matched to the model as described below, no absolute attenuation spectrum is needed to evaluate the physical properties. If the reference object exhibits some known attenuation, this attenuation is easily removed from Aref in equation (1).

도5a는 피험물체에 대한 진폭 스펙트럼(20)의 일반적인 예 및 기준 진폭 스펙트럼(21)을 예시한다. 기준 진폭 스펙트럼(21)은 진폭 스펙트럼(20) 보다 큰 진폭을 갖는다는 것을 알려준다. 피험물체와 기준물체 모두에 동일한 조건이 적용될 때마다 이러한 것이 발생하지만, 이는 꼭 필요하지는 않다는 것을 본 발명의 문맥 내에서 알 수 있을 것이다. 초음파 검출기의 민감도 또는 초음파 발생기의 강도가 상이할 경우, 본 발명의 시스템은 임의의 진폭 오프셋에 대해 보정하는 모델을 사용할 수 있다. 감쇠 스펙트럼은 단계 112에서 감쇠 모델에 일치된다. 감쇠 스펙트럼이 절대적 감쇠 측정값이라기보다는 상대적 측정값이기 때문에, 감쇠 스펙트럼은 주파수와 별개인 진폭 변이에 대해 설명하지 않는다. 따라서 일치는 생성시 펄스 강도 및 피험물체와 기준(즉, 진폭 오프셋) 사이의 검출 민감도의 가능한 변이에 대해 설명하는 모델을 사용하여 바람직하게 수행된다.5A illustrates a general example of an amplitude spectrum 20 and a reference amplitude spectrum 21 for a subject. It is noted that the reference amplitude spectrum 21 has a larger amplitude than the amplitude spectrum 20. It will be appreciated within the context of the present invention that this occurs whenever the same conditions apply to both the subject and the reference, but this is not necessary. If the sensitivity of the ultrasonic detector or the intensity of the ultrasonic generator are different, the system of the present invention may use a model to calibrate for any amplitude offset. The attenuation spectrum is matched to the attenuation model in step 112. Since the attenuation spectrum is a relative measurement rather than an absolute attenuation measurement, the attenuation spectrum does not account for amplitude variations that are independent of frequency. Thus, matching is preferably performed using a model that describes the pulse intensity at the time of generation and the possible variation in detection sensitivity between the subject and the reference (ie, amplitude offset).

감쇠에 대한 책임이 있는 많는 물리적 메커니즘이 주파수 의존 거듭제곱 법칙에 의해 모델화될 수 있다. 이러한 하나의 메커니즘이 존재할 경우, 측정된 감쇠는 다음의 모델에 일치될 수 있는데, Many physical mechanisms responsible for attenuation can be modeled by the frequency dependent power law. If one such mechanism exists, the measured attenuation can be matched to the following model:

Figure 112008000658113-pct00004
Figure 112008000658113-pct00004

n은 주파수 차수이고,

Figure 112012018761897-pct00005
는 주파수에 무관한 신호 강도의 변이를 설명하는 파라미터이고, b는 물성에 관련된 물리적 감쇠 메커니즘을 나타낸다. 이 모델의 임의의 두 파라미터
Figure 112012018761897-pct00006
및 b는 곡선을 한정한다는 것을 알 수 있다. 감쇠 스펙트럼과 곡선과의 일치 측정은 상이한 곡선에 대해 비교하는 것이다. 일치의 측정이 최적인 곡선은 당업계에 잘 알려진 방식으로, 모델에 가장 일치하는 감쇠 스펙트럼의 최적 일치로 결정된다. 일치화의 결과로, 감쇠 파라미터
Figure 112012018761897-pct00007
및 b가 결정된다.n is the frequency order,
Figure 112012018761897-pct00005
Is a parameter describing the variation of signal strength regardless of frequency, and b represents a physical attenuation mechanism related to physical properties. Any two parameters of this model
Figure 112012018761897-pct00006
And b defines a curve. The coincidence measure between the attenuation spectrum and the curve is to compare against different curves. The curve for which the measure of agreement is optimal is determined by the best agreement of the attenuation spectra that best matches the model, in a manner well known in the art. The attenuation parameter as a result of the matching
Figure 112012018761897-pct00007
And b are determined.

파라미터

Figure 112008000658113-pct00008
는 피험물체의 물리적 특성을 결정하기 위해서는 필요하지 않으며, 이 오프셋에 대한 기여가 확인되지 않으면
Figure 112008000658113-pct00009
는 시스템의 임의의 관련된 파라 미터에 대응되지 않는다. 따라서, 감쇠 스펙트럼의 감쇠 값 오프셋이 무시될 수도 있다. 앞서 정의된 모델은 신호 강도 변화에 대한 보정을 요구하지 않는 주파수 변화 감쇠의 확인을 허용한다. 견고성을 위해, 0 내지 4의 값을 갖는 파라미터 n은 일치과정 동안 바람직하게 고정되어 있다. 예를 들어, 포함된 주된 메커니즘이 레일리 체계에서 산란될 경우, 주파수의 4 제곱에 의존하는 감쇠에 대응하는 n의 값은 4이다.parameter
Figure 112008000658113-pct00008
Is not necessary to determine the physical properties of the subject and if contribution to this offset is not
Figure 112008000658113-pct00009
Does not correspond to any relevant parameters of the system. Thus, the attenuation value offset of the attenuation spectrum may be ignored. The previously defined model allows the identification of frequency change attenuation that does not require correction for signal strength changes. For robustness, the parameter n with a value of 0 to 4 is preferably fixed during the matching process. For example, if the main mechanism involved is scattered in the Rayleigh system, then the value of n corresponding to the attenuation that depends on four squares of frequency is four.

산란 및 흡수와 같이 두 개의 물리적 메커니즘이 감쇠에 기여할 경우, 측정된 감쇠는 다음의 함수에 일치될 수 있는데, If two physical mechanisms contribute to the attenuation, such as scattering and absorption, the measured attenuation can be matched to the function

Figure 112008000658113-pct00010
Figure 112008000658113-pct00010

m 및 n은 각각 흡수 및 산란에 대한 주파수 차수이다. 유사하게, 파라미터 a 및 b는 물성에 관련되어 포함된 두 메커니즘의 계수이다. 흡수 및 산란의 잘 수용된 모델에 따르면, m은 약 0.2 내지 약 1.5이고 n은 약 1.5 내지 약 4이다. 다시, 견고성을 위해, 파라미터 m 및 n은 일치과정 동안 바람직하게 고정되어 있고, 너무 가깝지 않아야 한다. 두 주파수 차수 m과 n이 가까울 경우, 포함된 두 메커니즘에 효과적인 주파수 차수 n을 갖는 방정식 (2)가 사용되어야 하며, 이 경우 각 메커니즘의 기여는 확인될 수 없다. 피험물체의 물리적 특성을 계산하기 위해 오직 하나 또는 그 이상의 파라미터가 사용될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다.m and n are the frequency orders for absorption and scattering, respectively. Similarly, parameters a and b are coefficients of the two mechanisms involved in relation to the physical properties. According to a well accepted model of absorption and scattering, m is about 0.2 to about 1.5 and n is about 1.5 to about 4. Again, for robustness, the parameters m and n are preferably fixed during the matching process and should not be too close. If two frequency orders m and n are close, equation (2) with a frequency order n effective for the two mechanisms involved should be used, in which case the contribution of each mechanism cannot be identified. It will be appreciated that only one or more parameters may be used to calculate the physical properties of the subject.

전술된 함수에서, 신호 강도의 변이를 설명하는 파라미터

Figure 112008000658113-pct00011
는 일치 공정이 적용되는 동안 고정되어 있어야 하고 검사에 의해 쉽게 평가될 수 있다.In the function described above, a parameter describing the variation in signal strength
Figure 112008000658113-pct00011
Should be fixed while the matching process is in place and can be easily assessed by inspection.

도5b는 모델(26)에 일치하고 측정된 감쇠 스펙트럼(25)을 예시한다. 측정된 감쇠 스펙트럼(25)은 기준 감쇠 스펙트럼에 대해 상대적인 감쇠 측정값이다. 감쇠 측정값(25)에 가장 일치하는 모델에 따르는 곡선(26)이 모델의 많은 곡선들 중 하나라는 것을 알 수 있을 것이다. 곡선(26)과의 일치는 피험물체의 하나 이상의 물성의 평가를 허용하는 파라미터 및 오프셋 측정 모두를 제공한다.5B illustrates the measured attenuation spectrum 25 consistent with the model 26. The measured attenuation spectrum 25 is the attenuation measurement relative to the reference attenuation spectrum. It will be appreciated that the curve 26 according to the model that best matches the attenuation measure 25 is one of many curves in the model. Congruence with curve 26 provides both parameter and offset measurements that allow evaluation of one or more physical properties of the subject.

일부 실시예에서, 감쇠 스펙트럼의 제1 미분계수에 의해 변하는 물성이 요구된다. 이것은 피험물체와 기준 사이의 신호 강도 변이에 관련된 상수

Figure 112008000658113-pct00012
를 제거한다. 감쇠 스펙트럼의 미분계수는 당업계에 잘 알려진 방법을 사용하여 수치적으로 획득될 수 있다.In some embodiments, properties that vary by the first derivative of the attenuation spectrum are required. This is a constant related to the variation in signal strength between the subject and the reference.
Figure 112008000658113-pct00012
Remove it. The derivative of the attenuation spectrum can be obtained numerically using methods well known in the art.

도2b는 기준 진폭 스펙트럼을 생성하기 위한 방법의 일 실시예를 나타낸다. 단계 120에서, 기준물체의 경로를 통한 전송 이후에 초음파 펄스를 나타내는 상호작용 신호가 얻어진다. 기준물체는, 충분히 특징지어진 감쇠 특성(바람직하게는 무시할 정도의 감쇠)을 가지며, 기준물체의 경로는, 도2a에 사용된 피험물체를 통한 경로와 동일한 회절 특성을 갖는다. 기준 진폭 스펙트럼은 전체 시스템(대역폭, 회절 등)의 응답을 정정하는데 사용된다. 기준물체의 적절한 선택에 의해, 회절 효과는 양쪽 신호와 거의 동일하게 만들어질 수 있으며, 따라서 Aref와의 비교에 의해(Aref에 의해 나눠져서) 자동으로 제거될 수 있다. 동일한 회절 동작을 갖기 위해, 기준물체는 동일한 형상 및 초음파 속도를 갖도록 선택될 수 있으며, 또는 동일한 회절 조건들을 제공하기 위한 이들 파라미터들의 조합을 갖도록 선택될 수도 있으며, 이는 당업자들에게 이해될 것이다. 바람직하게는 기준 진폭 스펙트럼은 피험물체에 적용된 것과 동일한 생성 및 검출 과정을 정확하게 사용한다.2B illustrates one embodiment of a method for generating a reference amplitude spectrum. In step 120, an interaction signal representing the ultrasonic pulse is obtained after transmission through the path of the reference object. The reference object has sufficiently characterized attenuation characteristics (preferably negligible attenuation), and the path of the reference object has the same diffraction characteristics as the path through the test object used in FIG. 2A. The reference amplitude spectrum is used to correct the response of the entire system (bandwidth, diffraction, etc.). By proper selection of the reference object, the diffraction effect can be made almost identical to both signals and thus can be automatically removed by comparison with Aref (divided by Aref). In order to have the same diffraction operation, the reference object may be selected to have the same shape and ultrasonic velocity, or may be selected to have a combination of these parameters to provide the same diffraction conditions, which will be understood by those skilled in the art. Preferably the reference amplitude spectrum uses exactly the same generation and detection procedures as applied to the subject.

단계 122에서, 시간 윈도우(즉, 광대역 초음파 펄스의 소정의 에코 또는 유사한 형태에 대응하는 상호작용 신호의 부분)를 확인하기 위해 전술된 바와 같은 과정이 적용된다. 이어서 시간 윈도우 내의 상호작용 신호는 주파수 영역으로 변환되어(단계 124) 기준 진폭 스펙트럼을 생성한다. 기준물체가 무시될 정도의 초음파 감쇠를 나타낼 경우, 기준 진폭 스펙트럼은 신호에 DFT 또는 FFT를 적용하여 계산된다. 그렇지 않으면, 특징지어진 감쇠가, 당업계 및 초음파 과학분야에 숙련된 자들에게 친숙한 방식으로, 생성된 진폭 스펙트럼을 정정하는데 사용되어, 무감쇠(non-attenuated) 기준 진폭 스펙트럼을 구성한다. 감쇠 정정의 범위는 낮은 감쇠 기준물체의 사용에 의해 줄어든다는 것을 알 수 있을 것이다.In step 122, the process as described above is applied to identify the time window (ie, the portion of the interaction signal corresponding to a given echo or similar shape of the broadband ultrasound pulse). The interactive signal in the time window is then transformed into the frequency domain (step 124) to produce a reference amplitude spectrum. If the reference object exhibits negligible ultrasonic attenuation, the reference amplitude spectrum is calculated by applying DFT or FFT to the signal. Otherwise, the characterized attenuation is used to correct the generated amplitude spectrum in a manner familiar to those skilled in the art and in the ultrasonic sciences to construct a non-attenuated reference amplitude spectrum. It will be appreciated that the range of attenuation correction is reduced by the use of low damping reference objects.

피험물체에 대해 전술된 것과 유사한 방식으로, 기준물체의 스펙트럼은 하나 이상의 위치에서 이루어지는 다수의 측정에 의해 평균될 수도 있다.In a manner similar to that described above for the subject, the spectrum of the reference object may be averaged by multiple measurements made at one or more locations.

응용 예Application example

제시된 방법 및 시스템의 다수의 응용이 있다.There are many applications of the presented methods and systems.

제1예로는, 레이저 초음파 감쇠 측정법을 사용하여, 생산 라인상의 강철의 입자 크기를 밝혀내는 것이다. 매우 자주, 냉각중의 오스테나이트 분해와 관련된 오스테나이트 입자 크기는 강철의 기계적 특성을 결정하기 위해 가장 중요한 야금 파라미터이다. 강철 편의 제어된 열적 기계적 프로세싱을 올바르게 적용하기 위해, 강철 편의 오스테나이트 입자 크기가 먼저 결정되어야 한다. 따라서 생산라인의 오스테나이트 입자 크기를 결정하는 능력은 기술이 추구하는 바이다.In a first example, laser ultrasonic attenuation is used to determine the particle size of the steel on the production line. Very often, austenite particle size associated with austenitic decomposition during cooling is the most important metallurgical parameter for determining the mechanical properties of steel. In order to correctly apply the controlled thermal mechanical processing of the steel piece, the austenitic particle size of the steel piece must first be determined. Therefore, the ability to determine the austenite particle size of a production line is what technology seeks.

전술된 방법은, 이음매 없는 강관들(seamless steel tibes)에서 넓은 범위의 입자 크기(20 내지 300㎛) 및 상대적으로 두꺼운 물체(30mm 까지)에 대해 초음파 감쇠로부터 오스테나이트 입자 크기를 정량적으로 결정하는데 사용되었다. 이 시스템은, 피치 캐치 구조에서의 검출을 위한 긴 펄스의 Nd:YAG 레이저 및 초음파 펄스 생성용의 큐스위치된(Q-Switched) 네오디뮴(Neodymium):이트륨(Yttrium) 알루미늄 가넷(Aluminum Garnet)(Nd:YAG) 레이저로 이루어졌다. 검출위치의 초음파 펄스 입사에 의해 변조된 검출 광은 패브리 패럿 간섭계(Fabry-Perot interferometer)에 의해 복조된다(demodulated).The method described above is used to quantitatively determine austenite particle size from ultrasonic attenuation for a wide range of particle sizes (20 to 300 μm) and relatively thick objects (up to 30 mm) in seamless steel tibes. It became. The system uses a long pulsed Nd: YAG laser for detection in pitch catch structures and a Q-Switched Neodymium: Yttrium Aluminum Garnet (Nd) for generating ultrasonic pulses. : YAG) laser. The detection light modulated by the ultrasonic pulse incident at the detection position is demodulated by a Fabry-Perot interferometer.

교정을 위해, 상이한 등급의 강철 샘플들이 900 내지 1250℃의 범위에서 글리빌 열기계적 시뮬레이터(Gleeble thermomechanical simulator)에서 가열되고 약 10분 동안 유지되어 입자 성장을 포화시켰다. 전체의 열적 사이클을 통해, 레이저 초음파 측정이 수행되었다. 적당한 시간 동안 담금질된 후(강철 등급에 따라), 이전의 오스테나이트 입자는 에칭(etching)에 의해 드러나고 이미지 분석에 의해 정량적으로 특징지어졌다. 또한 기준 진폭 스펙트럼을 획득하기 위해, 동일한 형상 및 초음파 속도와 낮은 감쇠를 갖는 강철의 기준물체 상에서 측정이 수행되었다. For calibration, different grades of steel samples were heated in a Gleeble thermomechanical simulator in the range of 900-1250 ° C. and held for about 10 minutes to saturate particle growth. Throughout the entire thermal cycle, laser ultrasonic measurements were performed. After quenching for a suitable time (depending on steel grade), the previous austenite particles were revealed by etching and quantitatively characterized by image analysis. Also in order to obtain a reference amplitude spectrum, measurements were performed on a reference object of steel with the same shape and ultrasonic velocity and low attenuation.

도6은 입자 크기 결정을 위해 생산 라인 구현상의 검출된 초음파 펄스에 해당하는 상호작용 신호를 예시한다. 생성 및 검출 장비의 구조는 전술된 피치 캐치 구조이다.Figure 6 illustrates the interaction signal corresponding to the detected ultrasonic pulses on the production line implementation for particle size determination. The structure of the generation and detection equipment is the pitch catch structure described above.

도7a는 초음파 감쇠 파라미터 b의 결과로 평균 입자 크기를 해석하기 위한 교정 곡선 예의 그래프이며, b는 감쇠 스펙트럼을 모델에 일치시킴으로써 획득된다. 입자 크기는 표준 금속 조직 기술을 사용하여 획득된다.FIG. 7A is a graph of an example of a calibration curve for interpreting the average particle size as a result of the ultrasonic attenuation parameter b, where b is obtained by matching the attenuation spectrum to the model. Particle size is obtained using standard metallographic techniques.

실제 제품을 사용하여 산업 환경에서 응용하기 위한 정확한 온라인 측정에는 많은 장애들이 있었다. 튜브 면이 검출 레이저 광을 약하게 반사하므로, SNR이 중요한 문제가 되었다. 감쇠 스펙트럼을 개선하기 위해, 튜브를 따른 많은 위치에서 획득된 초음파 상호작용 신호들을 평균하여 진폭 스펙트럼들이 계산되었으며, 따라서 입자 크기는 튜브 세그먼트 또는 튜브 전체를 통해 평가되었다. 복합 스펙트럼들(complex spectra)을 사용하는 전술된 주파수 영역 평균 과정(frequency domain averaging procedure)이 적당하다는 것이 밝혀졌다. There are many obstacles to accurate online measurement for real-world applications using real products. Since the tube surface reflects the detection laser light weakly, SNR has become an important problem. To improve the attenuation spectrum, amplitude spectra were calculated by averaging the ultrasonic interaction signals obtained at many locations along the tube, so particle size was evaluated throughout the tube segment or the tube as a whole. It has been found that the above-described frequency domain averaging procedure using complex spectra is suitable.

도7b는, 레이저 초음파 시스템에 의해 온라인 측정되고 도7a의 교정 곡선을 사용하여 해석된 오스테나이트 입자 크기와, 동일한 튜브의 적절한 담금질 이후에 금속조직학에 의해 획득된 오스테나이트 입자 크기 사이의 비교를 나타낸다. 생산라인의 조건들 때문에, 초음파 측정은, 제어된 실험실 조건들에서 수행되는 것보다 덜 정확할 것으로 예상되었다. 생산 환경에서, 이전의 오스테나이트 입자 크기의 '데코레이션(decoration)'을 허용하는 적절한 냉각 공정을 적용하는 데 있어서 고유의 어려움 때문에, 금속조직학을 사용하여 입자 크기를 측정하는 정확도가 감소하였다. 금속조직학적 입자 크기의 정확도는 0.5 내지 1 ASTM 사이로 추정되면서, 통계적인 분석은, 온라인으로 파악된 레이저 초음파 입자 크기들이, 금속조직학으로부터 획득된 입자크기들과 적어도 동일한 정확도를 갖는다는 것을 보여준다. FIG. 7B shows a comparison between the austenitic particle size measured online by a laser ultrasound system and interpreted using the calibration curve of FIG. 7A and the austenitic particle size obtained by metallography after proper quenching of the same tube. . Because of the conditions of the production line, ultrasonic measurements were expected to be less accurate than those performed under controlled laboratory conditions. In a production environment, due to the inherent difficulty in applying an appropriate cooling process that allows for 'decoration' of the previous austenite particle size, the accuracy of particle size measurement using metallography has been reduced. While the accuracy of metallographic particle size is estimated between 0.5 and 1 ASTM, statistical analysis shows that the laser ultrasonic particle sizes found online have at least the same accuracy as the particle sizes obtained from metallography.

제시된 방법 및 시스템의 제2 응용 예는 복합재료(composite material) 시험 분야에 있다. 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)의 시험 샘플은 100mm x 120mm 크기의 장방형 면과 6.3mm의 두께를 갖는 평판으로 준비되었다. 열탄성 체계의 양호한 초음파 생성을 획득하기 위해 얇은 페인트 층이 복합물의 표면에 도포 되었다. A second application of the presented methods and systems is in the field of composite material testing. Test samples of carbon fiber-reinforced plastics (CFRP) were prepared with flat plates having a rectangular face of 100 mm x 120 mm and a thickness of 6.3 mm. A thin layer of paint was applied to the surface of the composite to obtain good ultrasonic generation of the thermoelastic system.

본 명세서를 입증하기 위해 사용된 생성 및 검출 셋 업(generation and detection set up)은, 벌크 초음파(bulk ultrasonic wave)를 생성하기 위해 다중 모드(multimode) CO2 레이저를 포함하였다. 위상 복조(phase demodulation)를 위해 패브리 패럿 간섭계에 결합된 네오디뮴:이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 레이저가 초음파 검출에 사용되었다. 생성용 레이저 스폿(spot) 크기는 약 6.5mm이며, 검출용 레이저 스폿 크기는 약 5mm였다. 생성 및 검출 스폿들은 펄스-에코 구조에 따라 거의 중첩되었다. 시스템의 주파수 민감도는 1 내지 10MHz 범위였다. 피험물체 내부의 공극 부위들을 정확히 찾아내기 위해 레이저 초음파 측정들이 수행되었다. 이차원 스캔이 표면상에서, 표면을 가로질러 평행선들로 스위핑(sweeping)함므로써 수행되었다. 각각의 측정 위치는, 인접한 측정 위치로부터 약 1.47mm 이격되었다. The generation and detection set up used to demonstrate this disclosure included a multimode CO 2 laser to generate bulk ultrasonic waves. A neodymium: yttrium aluminum garnet (Nd: YAG) laser coupled to a Fabry Parrot interferometer was used for ultrasonic detection for phase demodulation. The generation laser spot size was about 6.5 mm and the detection laser spot size was about 5 mm. The generation and detection spots almost overlapped with the pulse-echo structure. The frequency sensitivity of the system ranged from 1 to 10 MHz. Laser ultrasound measurements were performed to pinpoint the voids inside the subject. Two-dimensional scans were performed on the surface by sweeping parallel lines across the surface. Each measurement position was about 1.47 mm from the adjacent measurement position.

도8a는 백월 에코의 진폭의 그레이 스케일 C-스캔 이미지(greyscale C-scan image)이다. 원형 스폿 S1-S3은 약 18mm 크기로 명확하게 관찰하며, 테스트 샘플의 공극의 위치를 확인한다.8A is a greyscale C-scan image of the amplitude of the backwall echo. Circular spots S1-S3 are clearly observed to be approximately 18 mm in size and confirm the location of the voids in the test sample.

도8b는 도8a에서 확인된 공극 위치 S1, S2, S3내의 감쇠 스펙트럼들을 예시한다. 이러한 감쇠 스펙트럼들을 획득하기 위해 사용된 기준 스펙트럼은, 물체가 정상적인 것으로 알려진 위치에서의 백월 에코(backwall echo)로부터 얻어진다. CFRP 재료에 있어서, 공극이나 다른 결함이 없는 것이 분명한 위치에서는 초음파 감쇠가 거의 없다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 복합재에 있어서, 감쇠 스펙트럼은 1 내지 8MHz의 특정 주파수 범위에 대해 거의 선형적 형태를 나타낼 것으로 기대된다. 재료과학에서 잘 알려진 바와 같이, 공극/체적 분수(pore/volume fraction) Pv 는, 선형 영역의 감쇠 스펙트럼의 제1 미분계수에 정비례하여 변화하며, 감쇠는 원칙적으로 산란 효과(scattering effect)에 의해 야기된다. 따라서,FIG. 8B illustrates the attenuation spectra in the pore positions S1, S2, S3 identified in FIG. 8A. The reference spectrum used to obtain these attenuation spectra is obtained from a backwall echo at the location at which the object is known to be normal. Those skilled in the art will appreciate that in CFRP materials, there is little ultrasonic attenuation at locations where apparent voids or other defects are apparent. For composites, the attenuation spectrum is expected to be nearly linear over a specific frequency range of 1 to 8 MHz. As is well known in materials science, the pore / volume fraction Pv changes in direct proportion to the first derivative of the attenuation spectrum of the linear region, where the attenuation is in principle caused by the scattering effect. do. therefore,

Figure 112008000658113-pct00013
Figure 112008000658113-pct00013

c는 물체 및 공극 형상에 따른 특정 비례상수이다.c is a specific proportionality constant depending on the shape of the object and the void.

공극량을 결정하기 위해 이 모델을 사용하여 신호 강도의 변이 정정을 제거한다는 것과 미분에 의해 주파수와 무관한 일정한 계수는 제거된다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 샘플에 대해 c의 값은 7.5vol% mm MHz/dB이고, 영역 S1, S2, S3에서 평가된 공극량은 각각 1.0, 0.8 및 1.5%로 추정된다. 이러한 평가는 테스트 샘플의 준비와 관련된 근소한 값과 일치한다.Using this model to determine the amount of voids, it will be seen that the variation correction of signal strength is eliminated, and the derivative removes a constant coefficient independent of frequency. The value of c for this sample is 7.5 vol% mm MHz / dB, and the pore amounts estimated in the regions S1, S2, S3 are estimated to be 1.0, 0.8 and 1.5%, respectively. This evaluation is consistent with the slight values associated with the preparation of test samples.

물론, 상기 방법의 다수의 여타 응용들이, 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않으면서 고려될 수 있다. 레이저 초음파를 사용하는 전술된 실시예에 덧붙여서, 제시된 방법은 임의의 파 형태(종파, 전단파, 표면파 등) 및 임의의 구조(펄스 에코, 관통 전송, 피치 캐치 등)에 대해, 압전 트랜스듀서 또는 EMAT와 같은 상이한 초음파 기술을 사용하여 적용될 수 있다. 주어진 기술, 파동 모드 및 구조에 대해, 시험은 낮은 감쇠 기준 스펙트럼을 생성하기 위해 기준물체 및 피험물체에 적용되어야 한다.Of course, many other applications of the method may be considered without departing from the spirit and scope of the invention. In addition to the above-described embodiments using laser ultrasound, the presented method provides piezoelectric transducers or EMATs for any wave shape (long wave, shear wave, surface wave, etc.) and for any structure (pulse echo, through transmission, pitch catch, etc.). It can be applied using different ultrasonic techniques such as. For a given technique, wave mode and structure, the test should be applied to the reference object and the subject to produce a low attenuation reference spectrum.

Claims (27)

초음파 감쇠 측정을 사용하여 피험물체(test object)의 물성을 결정하는 방법에 있어서,In the method of determining the physical properties of a test object using ultrasonic attenuation measurement, (a) 광대역 초음파 펄스가 피험물체의 검출 위치에 부딪히는 것에 응답하여, 상기 피험물체의 검출위치에 있어서의 상호작용 신호를 초음파 검출기로부터 수신하는 단계 - 여기서, 광대역 초음파 펄스는 피험물체를 관통하는 동안 감쇠되고, 상호작용 신호는 초음파 펄스와 피험물체 사이에서의 상호작용 신호임 - ;(a) receiving an interaction signal from an ultrasonic detector at the detected position of the subject in response to the broadband ultrasonic pulse striking the detected position of the subject, wherein the wideband ultrasonic pulse passes through the subject. Attenuated, and the interaction signal is an interaction signal between the ultrasonic pulse and the subject-; (b) 진폭 스펙트럼(amplitude spectrum)을 획득하기 위해, 감쇠된 펄스에 대응하는 상기 상호작용 신호의 일부분을 시간 영역(time domain)에서 주파수 영역(frequency domain)으로 변환하는 단계;(b) converting a portion of the interactive signal corresponding to the attenuated pulse from a time domain to a frequency domain to obtain an amplitude spectrum; (c) 감쇠 스펙트럼(attenuation spectrum)을 획득하기 위해 상기 진폭 스펙트럼을 기준 진폭 스펙트럼과 비교하는 단계로서, 기준 진폭 스펙트럼은 광대역 초음파 펄스에 대해 피험물체와 동일한 회절 특성을 가진 기준 물체에 (a) 및 (b)를 적용하여 생성되며, 상기 기준 진폭 스펙트럼은 감쇠가 없는 것으로 간주되는 비교 단계;(c) comparing the amplitude spectrum with a reference amplitude spectrum to obtain an attenuation spectrum, wherein the reference amplitude spectrum is applied to a reference object having the same diffraction characteristics as the subject for the broadband ultrasound pulse; a comparison step generated by applying (b), wherein the reference amplitude spectrum is considered to have no attenuation; (d) 감쇠 파라미터를 획득하기 위해, 주파수 의존 감쇠 모델과 상기 감쇠 스펙트럼의 최적합(fitting)을 결정하는 단계; 및(d) determining a fitting of the frequency dependent attenuation model and the attenuation spectrum to obtain an attenuation parameter; And (e) 감쇠에 의존하는, 상기 피험물체의 물성을 계산하기 위해 감쇠 파라미터를 사용하는 단계;(e) using the attenuation parameter to calculate the physical properties of the subject, depending on the attenuation; 를 포함하는 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Method for determining physical properties of a subject using ultrasonic attenuation measurement. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기준물체에 (a) 및 (b)를 적용하는 것은,Applying (a) and (b) to the reference object, 알려진 감쇠 파라미터를 갖는 기준물체를 선택하는 단계; 및Selecting a reference object having a known attenuation parameter; And 상기 기준물체의 진폭 스펙트럼의 감쇠에 대해 정정하기 위해 상기 알려진 감쇠 파라미터를 사용하는 단계;를 포함하는, Using the known attenuation parameter to correct for attenuation of the amplitude spectrum of the reference object; 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Method for determining the physical properties of a subject using ultrasonic attenuation measurements. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 기준물체에 (a) 및 (b)를 적용하는 것은,Applying (a) and (b) to the reference object, 감쇠가 무시될 수 있는 기준물체를 선택하는 단계;를 포함하는, Selecting a reference object whose attenuation can be ignored; 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Method for determining the physical properties of a subject using ultrasonic attenuation measurements. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 기준물체를 선택하는 단계는,Selecting the reference object, 상기 피험물체에 부합하는 형상을 갖고, 상기 피험물체에 부합하는 초음파 속도를 갖는 재질로 구성되는 기준물체를 선택하는 단계;를 포함하는, Selecting a reference object having a shape corresponding to the test object and made of a material having an ultrasonic speed corresponding to the test object; 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Method for determining the physical properties of a subject using ultrasonic attenuation measurements. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 검출 위치에 부딪힌 광대역 초음파 펄스의 단일 형태에 대응하는 상호작용 신호의 일부분을 확인하는 것에 의해 상기 상호작용 신호의 일부분을 결정하는 단계를 더 포함하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.And determining a portion of the interaction signal by identifying a portion of the interaction signal corresponding to a single form of the broadband ultrasonic pulse encountered at the detection location. . 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 상호작용 신호의 일부분을 결정하는 단계는, 검출위치에서 부딪힌 광대역 초음파 펄스의 단일 형태에 대응하는 상호작용 신호의 일부분을 선택하기 위해 윈도우 선택 기능을 적용하는 단계를 더 포함하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Determining a portion of the interaction signal further includes applying a window selection function to select a portion of the interaction signal corresponding to a single type of broadband ultrasonic pulse encountered at the detection location. Method for determining the physical properties of a subject to be used. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 윈도우 선택 기능을 적용하는 단계는, 윈도우 내에 상기 형태를 집중시키기 위해 상호작용 신호와 초음파 펄스 표준 프로파일의 상호상관(cross-correlation)을 사용하는 단계를 더 포함하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Applying the window selection function further comprises using a cross-correlation of the interaction signal and the ultrasound pulse standard profile to focus the shape within the window. How to determine the physical properties of an object. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 상호작용 신호의 일부분을 결정하는 단계는, 상호작용 신호 내의 부분 검색을 좁히기 위해서, 펄스의 단일 에코를 포함하는 상호작용 신호의 조악한 시간 윈도우(coarse time window)를 결정하기 위해 피험물체에 대한 두께 및 초음파 속도의 평가치(estimation)를 사용하는 단계를 포함하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Determining a portion of the interaction signal may include a thickness for the subject to determine a coarse time window of the interaction signal that includes a single echo of a pulse to narrow the partial search within the interaction signal. And using an estimation of the ultrasonic velocity, the method of determining physical properties of the subject using the ultrasonic attenuation measurement. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수신하는 단계 및 변환하는 단계는 상기 피험물체로부터의 다수의 상호작용 신호들에 반복적으로 적용되고, 상기 방법은 다수의 신호들의 평균을 계산하는 단계를 더 포함하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.The receiving and converting steps are repeatedly applied to a plurality of interacting signals from the subject, and the method further comprises calculating an average of the plurality of signals. How to determine the physical properties of an object. 제8항에 있어서,9. The method of claim 8, 시간 및 주파수 영역 모두에서 거부 기준(rejection criteria)을 사용하여, 상호작용 신호의 결정된 부분들 및 진폭 스펙트럼들 각각을 인증하는 단계를 더 포함하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Authenticating each of the determined portions and amplitude spectra of the interaction signal using rejection criteria in both the time and frequency domains. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 감쇠 스펙트럼의 최적합을 결정하는 단계는, 피험물체와 기준물체 사이의 주파수에 무관한 신호 강도의 변이에 대해 설명하는 모델에 감쇠 스펙트럼이 최적합함을 확인하는 단계를 더 포함하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Determining the optimal sum of the attenuation spectra further includes ascertaining that the attenuation spectra are optimal for a model that accounts for variations in signal strength independent of frequency between the subject and the reference object. Method for determining the physical properties of a subject to be used. 제11항에 있어서,12. The method of claim 11, 최적합을 확인하는 단계는 식
Figure 112012018761897-pct00014
의 곡선들에 감쇠 스펙트럼의 적합화 정도를 비교하는 수단을 더 포함하고,
Figure 112012018761897-pct00015
는 신호 강도 변이에 대해 설명하는 임의의 진폭 오프셋이고, m과 n은 각각의 잠재적인 감쇠 메커니즘과 관련된 주파수 차수이고, 파라미터 a 와 b는 물성에 관련되어 포함된 메커니즘에 의한 기여를 나타내는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.
The steps to determine the best fit are
Figure 112012018761897-pct00014
Means for comparing the degree of fitting of the attenuation spectrum to the curves of
Figure 112012018761897-pct00015
Is an arbitrary amplitude offset describing the signal strength variation, m and n are the frequency orders associated with each potential attenuation mechanism, and parameters a and b represent the contributions made by the mechanism involved in relation to the physical properties. Method for determining the physical properties of a subject using a measurement.
제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 파라미터 a는 0인, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.The parameter a is a method of determining the physical properties of the subject using the ultrasonic attenuation measurement, 0. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 감쇠 스펙트럼을 최적합화하는 단계는 감쇠 파라미터를 변화시키는 단계를 포함하고, m과 n은 고정되어 있는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Optimizing the attenuation spectra includes varying the attenuation parameters, m and n being fixed, wherein the physical properties of the subject using ultrasonic attenuation measurements. 제11항에 있어서,12. The method of claim 11, 감쇠 스펙트럼이 하나의 모델에 최적합함을 결정하는 단계는 감쇠 파라미터를 획득하기 위해 감쇠 스펙트럼의 미분계수를 사용하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.Determining that the attenuation spectrum is optimal for one model comprises using the derivative of the attenuation spectrum to obtain the attenuation parameter. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 감쇠 파라미터를 피험물체의 물성에 연관시키는 교정 곡선을 사용하는 단계를 더 포함하는, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.A method of determining physical properties of a subject using ultrasonic attenuation measurements, further comprising using a calibration curve that correlates the attenuation parameters to the physical properties of the subject. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 물성은 다결정 고체의 입자 크기인, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.The physical property is a particle size of the polycrystalline solid, the physical property determination method of the subject using ultrasonic attenuation measurement. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 물성은 복합물질의 다공성인, 초음파 감쇠 측정을 사용하는 피험물체의 물성 결정 방법.The physical property of the porous material of the composite material, the method of determining the physical properties of the subject using ultrasonic attenuation measurement. 삭제delete 삭제delete 피험물체의 물성을 판단하기 위한 초음파 감쇠 측정 시스템에 있어서,In the ultrasonic attenuation measurement system for determining the physical properties of the subject, (a) 광대역 초음파 펄스를 피험물체 내로 입사시키고, 피험물체를 통한 전달 이후에 펄스를 검출하는 초음파 펄스 생성 및 검출 셋 업(set up);(a) ultrasonic pulse generation and detection set up by injecting a broadband ultrasonic pulse into the subject and detecting the pulse after delivery through the subject; (b) 검출된 초음파 펄스의 상호작용 신호를 디지털화하는 수신기 - 상호작용 신호는 초음파 펄스와 피험물체 사이에서의 상호작용 신호임 - ; 및(b) a receiver for digitizing the interaction signal of the detected ultrasonic pulse, the interaction signal being an interaction signal between the ultrasonic pulse and the subject; And (c) 신호 프로세서를 포함하고, (c) includes a signal processor, 상기 신호 프로세서는,The signal processor, (ⅰ) 진폭 스펙트럼을 획득하기 위해, 검출된 펄스의 단일 형태에 대응하는 상호작용 신호의 일부분을 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하며;(Iii) convert a portion of the interaction signal corresponding to a single form of the detected pulse from the time domain to the frequency domain to obtain an amplitude spectrum; (ⅱ) 피험물체의 회절 특성과 동일한 회절 특성을 갖는 기준물체로부터 도출되고 알려진 감쇠를 가지는 기준 진폭 스펙트럼과 상기 진폭 스펙트럼을 비교하여 감쇠 스펙트럼을 계산하며;(Ii) calculating the attenuation spectrum by comparing the amplitude spectrum with a reference amplitude spectrum derived from a reference object having a diffraction characteristic equal to the diffraction characteristic of the subject and having a known attenuation; (ⅲ) 피험물체의 물성을 결정하기 위해 사용되는 감쇠 파라미터를 결정하기 위해, 하나의 모델에 상기 감쇠 스펙트럼을 일치시키는 것(Iii) matching the attenuation spectrum to one model to determine the attenuation parameters used to determine the physical properties of the subject. 을 특징으로 하는 초음파 감쇠 측정 시스템.Ultrasonic attenuation measurement system characterized in that. 제21항에 있어서,22. The method of claim 21, 상기 신호 프로세서는 진폭 스펙트럼을 생성하기 위해 하나 또는 다양한 위치들에서 피험물체로부터 다수의 상호작용 신호들의 평균을 계산하도록 더 적응되는, 초음파 감쇠 측정 시스템.And the signal processor is further adapted to calculate an average of the plurality of interacting signals from the subject at one or various locations to generate an amplitude spectrum. 제22항에 있어서,23. The method of claim 22, 상기 신호 프로세서는 진폭 스펙트럼을 생성하기 위해 다수의 상호작용 신호들의 시간 또는 주파수 영역 평균 프로세스(time or frequency domain averaging process)를 수행하도록 더 적응되는, 초음파 감쇠 측정 시스템.And the signal processor is further adapted to perform a time or frequency domain averaging process of the plurality of interacting signals to generate an amplitude spectrum. 제21항에 있어서,22. The method of claim 21, 상기 초음파 펄스 생성 및 검출 셋 업은, 광대역 초음파 펄스를 생성하기 위한 생성 레이저(generaion laser) 및, 광대역 초음파 펄스의 형태를 검출하기 위한 광 검출 시스템(optical detection system)에 결합된 검출 레이저(detection laser)를 포함하는, 초음파 감쇠 측정 시스템.The ultrasonic pulse generation and detection setup includes a generation laser for generating wideband ultrasonic pulses and a detection laser coupled to an optical detection system for detecting the shape of the wideband ultrasonic pulses. Ultrasonic attenuation measurement system comprising a. 제24항에 있어서,25. The method of claim 24, 상기 생성 레이저 및 검출 레이저는 상기 피험물체의 동일한 측면으로 조사되는, 초음파 감쇠 측정 시스템.And the generating laser and detecting laser are irradiated onto the same side of the subject. 제21항에 있어서,22. The method of claim 21, 피험물체를 관통하는 상이한 경로들을 따르는 감쇠에 대응하는 감쇠 스펙트럼들을 획득하기 위해, 상기 피험물체 표면 스캔용 제어된 동작 시스템(controlled motion system)을 더 포함하는, 초음파 감쇠 측정 시스템.And a controlled motion system for scanning the subject surface to obtain attenuation spectra corresponding to attenuation along different paths through the subject. 제26항에 있어서,27. The method of claim 26, 상기 감쇠 스펙트럼들은 피험물체의 물성 이미지를 생성하는데 사용되는, 초음파 감쇠 측정 시스템.Wherein said attenuation spectra are used to generate a physical property image of a subject.
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