KR100322031B1 - 어쿠스틱웨이브를이용한홈탐상방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 어쿠스틱 웨이브를 이용하여 열간 슬라브와 같은 대상체내의 흠을 비접촉식으로 간편, 안전하게 탐상해낼 수 있는 방법 및 장치의 제공에 관한 것이다.

본 발명은 고전압 발생부(11)에 의해 생성된 어쿠스틱 웨이브를 일렉트로 스파크 트랜스듀서(3)를 통해 검사 대상체에 방출하고, 상기 대상체를 통과한 어쿠스틱 웨이브를 어쿠스틱 마이크로폰(4)으로 수신한 후 그 수신된 신호중 안정된 신호 성분을 필터(7)를 통해 얻고 이와 같이 얻어진 신호성분을 증폭기(8)를 통해 증폭 출력하여 그 출력신호를 기준값과 비교하여 상기 출력신호가 기준값보다 크면 상기 대상체내에 흠이 존재하고 작으면 흠이 없는 것으로 판별하는 것을 특징으로 한다.

Description

어쿠스틱 웨이브를 이용한 흠 탐상방법 및 장치.

본 발명은 고층 건물의 건축, 교량의 건설 및 보수, 방사능 설비의 안전점검, 대형 구조물의 안전상태 검사등의 목적으로 비교적 간편하게 사용할 수 있고, 사용자의 안전을 도모할 수 있는 어쿠스틱 웨이브(Acoustic Wave)를 이용한 흠 탐상방법 및 장치에 관한 것이다.

구조물을 파괴하지 않고 구조물내부의 흠을 탐상해내는 방법에는 X-ray, 또는 레이저를 이용한 전형적인 비파괴 검사방식이 있는데, 이런 방식들은 정확하지만 상당히 고가이면서 작업자나 주위의 사람들의 안전을 위해서 외부에 함부로 노출시켜 사용해서는 아니되는 취급이 까다로운 구조로 이루어져 있는 경우가 많다. 그래서 최근 문제시되고 있는 대형건축물의 안전진단과 방사선 누출로 인한 위험성이 있는 원자로 등의 균열검사, 직접측정이 어려운 고로 내부벽의 두께 및 내부상황 등을 측정하는 곳 등에 보다 안전하고 편리하게 사용될 방법 및 장치의 제공이 요청되고 있다.

상기의 목적을 위해 종래에는 EMAT를 이용하는 방법, 레이저(laser)를 이용하는 방법등이 주로 사용되었는데, EMAT를 이용하는 방법은 도1에 보여진 바와 같다. 이 방법의 기본적인 원리는 정전기장이나 전자기장내에서의 이온들의 운동에 영향을 미치는 주된 힘은 전기장 자체와 전자들과의 충돌에 의한 운동량 전달에 의한 다른 것에 기초한 것이다. 이런 상태에서 새로운 전자기장이 없으면 전자들과 이온들은 서로 반대 방향으로 운동하므로 충돌시 힘은 거의 상쇄된다. 그러나 전자 기장이 존재한다면 전자들과 이온들은 로렌쯔 힘(Lorentz Force)의 영향으로 힘의 방향이 바뀌므로 전자들과 이온들 사이에 유지되었던 힘의 균형이 깨어진다. 즉,이런 경우에 이온에 미치는 힘은 j x Bo 에 비례한다. 여기서 j 는 전자 전류밀도이고 Bo 는 전자기장의 세기이다. 만약 j 가 전기 전도체의 표면에 수직으로 입사하는 전자기장에 의해 유도되는 와전류라면 전도체의 표면침투 깊이내의 이동들만이 진동한다. 이러 표면침투 깊이내의 이온들의 진동은 바로 음파의 발생을 의미한다. 이 음파가 슬라브와 같은 탐상대상체를 통과하여 전자기장하에 있는 반대편 전도체의 표면에 도착하면, 이 음파가 와전류(Eddy current)를 발생시킨다. 이를 코일로 수신하게 되면 전자기 음파를 수신하게 된다. 이 방법은 현재 일본에서 현장 적용을 위한 시도를 하고 있으나 EMAT와 검사 대상체의 간격을 일정하게 제어해야하고 두꺼운 강판에는 고출력의 EMAT를 제작 사용해야 하는 등 여러 가지 난제가 있다.

한편, 도2는 레이저를 이용한 방법을 보여 주는데, 이 방법에서 초음파를 발생시키는 방법은 높은 에너지의 펄스 레이저(Pulse Laser)로 슬라브에 국부적으로 레이저충격에 의한 진동을 일으켜 이 진동이 대상체의 표면을 진동시키도록 하는 것이다. 연속적인 레이저를 이용한 마이켈슨간섭 현상으로 표면진동을 측정한다. 측정부에서는 빔 스플릿(Beam split)을 통과하여 반사된 레이저광과 반사경(Deflection Mirror)에서 반사된 레이저는 서로의 경로차이에 의해서 간섭현상을 일으킨다. 만약 대상체 내부에 흠이 존재하여 펄스 레이저에 의한 진동이 반대편으로 전달되지 못하고 흠에서 반사를 일으킬 경우, 간섭무늬의 변화가 적게 된다. 그러나 대상체내부에 흠이 존재하지 않아 진동이 반대편에 전달될 경우에는 간섭무늬의 변화가 심하게 된다. 포토 다이오드 매트릭스(Photo diode Matrix)를 이용하여 간섭무늬 변화정도를 측정하여 흠의 유무를 판단한다. 이 방법은 실험실과 같이 주위 환경이 양호한 곳에서는 좋은 결과를 얻을 수 있지만 제철소와 같은 열악한 환경에서는 좋은 결과를 기대하기 힘들고, 두께가 두꺼운 강판에는 고출력의 레이저가 사용되어야 하므로 보수 유지비용이 많이 요구되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해소할 수 있는 더욱 개선된 흠 탐상 방법 및 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

도1은 종래의 한 흠 탐상 방법의 개요도.

도2는 종래의 또다른 흠 탐상 방법의 개요도.

도3은 본 발명에 따른 흠 탐상 방법의 개요도.

도4는 본 발명의 방법에서 어쿠스틱 웨이브의 신호특성도.

도5는 어쿠스틱 쇽 웨이브의 전파특성도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1 : 샘플 2 : 샘플고정대

3 : 일렉트로 스파크 트랜스듀스 4 : 어쿠스틱 마이크로폰

5 : 일렉트로 스파크 트랜스듀서 지지대

6 : 어쿠스틱 마이크로폰 지지대 7 : 필터

8 : 증폭기 9 : 오실로스코프

10 : 디스플레이 11 : 고전압 전원

12 : 동기화장치

이하에서, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 개요를 도3에 나타내었다. 비접촉으로 열간슬라브의 내부흠을 탐상하기 위해서는 일단 비접촉으로 어쿠스틱 웨이브를 슬라브에 인가하는 장치와 검사체를 통과하여 반대편으로 전달되는 어쿠스틱 웨이브를 비접촉으로 수신하는 장치가 필요하다. 어쿠스틱 에이브를 슬라브에 비접촉 인가하는 장치로서 일렉트로 스파크 트랜스듀서(EST; Electro Spark Transducer)를 이용한 비접촉 내부 흠 탐상 방법은 도4에 예시되어 있다. 이 방법은 근본적으로 널리 알려진 새도우마스크(shadow mask)방법과 동일하며, 어구스틱 쇽 웨이브(Acoustic shock wave)의 전파 특성은 도5에 예시된 바와 같다. 시간 t0에서 일렉트릭 스파크(Electric spark)가 발생하고, 시간 t1 이후에 어쿠스틱 쇽 웨이브가 검사체의 표면에 도달된다. 시간 t2 동안에 어쿠스틱 쇽 웨이브가 검사체를 통과하고, 시간 t3 동안에 다시 공기를 방법은 도4에 예시되어 있다. 이 방법은 근본적으로 널리 알려진 새도우마스크(shadow mask)방법과 동일하며, 어구스틱 쇽 웨이브(Acoustic shock wave)의 전파 특성은 도5에 예시된 바와 같다. 시간 t0에서 일렉트릭 스파크(Electric spark)가 발생하고, 시간 t1 이후에 어쿠스틱 쇽 웨이브가 검사체의 표면에 도달된다. 시간 t2 동안에 어쿠스틱 쇽 웨이브가 검사체를 통과하고, 시간 t3 동안에 다시 공기를 통과하여 어쿠스틱 마이크로폰(AM; Acoustic Microphone)에 도달된다. 그리고 EST에서 검사체를 통과하지 않고 공기를 통과하여 우회한 신호의 시간은 t5 이다. 도5의 그림에서 보여준 최초의 신호는 EST에서 방전이 일어나는 동안 발생하는 전기적 잡음신호이다. 전기적 잡음신호의 속도는 빛의 속도와 동일하므로 실제 전기적인 방전이 일어나는 정확한 시간을 측정할 수 있다. 공기중의 어쿠스틱 웨이브 속도는 330M/S이고, 강내의 어쿠스틱 웨이브 속도는 5960M/S 이므로 전기적 잡음신호 이후에 검사체를 통과하여 AM에 도달하는 시간 t4는 다음식에 의해 계산된다.

t4= t1 +t2 + t3 = 11/c1 + 12/c2 +13/c1

(단 c1, c2는 330M/S, 11은 t1까지의 실제거리, 12는 t2까지의 실제거리, 13는 t3까지의 실제거리, 즉 11, 12, 13는 샘플의 폭)

AM에서 수신된 신호는 고 이득의 하이패스필터(High Pass Filter)를 통과한 후 지정된 주파수성분을 선택하는 밴드패스필터(Band Pass Filter)를 거친다. 필터의 출력신호를 기준값과 비교하여 작으면 흠이 있고, 크면 흠이 없음을 알 수 있다. 의 구성요소를 도3에 나타내었다. 1은 피 측정용 샘플을 나타내고, 2는 무거운시편의 이동을 용이하게 하기 위해서 만든 샘플고정대, 3은 실제로 어쿠스틱 웨이브가 방출되는 일렉트로 스파크 트랜스듀서(EST)이다. 4는 어쿠스틱 마이크로폰(AM)으로 EST(3)에서 방출된 어쿠스틱 웨이브 신호를 수신하는 부분이다. 5,6번은 상기 샘플상의 특정한 목표지점으로 정확히 어쿠스틱 웨이브를 방출검사할 수 있도록 상기 EST(3) 및 AM(4)을 높이조정가능하게 설치지지한 지지대이다. 7은 AM(4)에서 수신된 신호중에서 안정된 신호를 얻기 위해서 사용하는 필터이고, 8은 수신된 신호를 충분한 신호레벨을 가질 수 있도록 증폭하는 증폭기이다. 10은 실제 검출파형을 육안으로 확인하기 위한 디스플레이(display)로서, 경우에 따라 상기 파형을 저장하고 정리하는 기능을 한다. 11은 어쿠스틱 웨이브를 생성하기 위한 고전압 발생부이다. 12는 증폭기(8)와 오실로스코프(9), 고전압 발생부(11)등을 동기시키기 위한 동기화 장치이다. 13은 레일, 14는 로, 15는 제어기이다.

상기 장치를 사용한 흠 탐상방법을 간략히 설명하면, 동기화장치(12)의 스위치를 온(on)하면 고전압발생부(11)로부터 고전압이 EST(3)에 인가되어 어쿠스틱 에이브가 발생하고 어쿠스틱 웨이브가 샘플(F1)의 표면에 부딪친다. 상기 어쿠스틱 웨이브의 일부는 외부로 흐르겠지만 일부는 샘플(1)내부로 대기보다 훨씬 빠른 속도로 전파되어 샘플(1)의 반대편에 이른 후 다시 대기중을 전파하여, AM(4)에 수신되는데 이때 수신된 신호의 레벨은 상기 샘플(1)속에 흠이 존재할 경우에는 초음파가 흠부근에서 반사함으로써 AM(4)에서 수신되는 신호가 매우 작게 되고, 흠이 없는 경우에는 매우 큰 신호로 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 흠에 의한 상대적인 신호레벨의 차이로부터 대상물내의 흠의 존재여부를 비접촉식으로 간편, 안전하게 탐상해낼 수 있는 방법으로서, 제철소와 같은 열악한 환경하에서 온라인(On-line)으로 안전하게 흠탐상을 할 수 있는 저렴하고 효과적인 방법 및 장치이다.

Claims (3)

1. 흠 탐상 대상체에 어쿠스틱 웨이브를 방출하는 단계와, 상기 대상체를 통과한 어쿠스틱 웨이브 신호를 수신하는 단계와, 상기 수신된 어쿠스틱 에이브 신호중 지정된 주파수성분을 선택하는 단계와, 선택된 주파수성분으로 출력된 신호를 기준 값과 비교하여 출력신호가 기준값보다 작으면 상기 대상체내에 흠이 존재하고 크면 흠이 존재하지 않는 것으로 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어쿠스틱 웨이브를 이용한 흠 탐상 방법.
2. 흠 탐상 대상체에 대하여 어쿠스틱 웨이브를 방출하는 일렉트로 스파크 트랜스듀서(3)와, 상기 수단으로부터 방출된 어쿠스틱 웨이브 신호를 수신하는 어쿠스틱 마이크로폰(4)과, 상기 어쿠스틱 마이크로폰(4)에 수신된 어쿠스틱 웨이브 신호중 안정된 신호성분을 필터링하는 필터(7)와, 상기 필터(7)를 통한 신호성분을 증폭하고 그 증폭된 출력신호가 기준값보다 크면 상기 대상체내에 흠이 존재하고 작으면 흠이 없는 것으로 판별하는 증폭기(8)와, 오실로스코프(9)를 통해 실제로 검출된 파형을 확인하기 위한 디스플레이(10)와, 어크스틱 웨이브를 생성하기 위한 고전압 발생부(11)와, 상기 증폭기(8)와 오실로스코프(9) 및 고전압 발생부(11)를 동기화시키기 위한 동기화장치(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 어쿠스틱 웨이브를 이용한 흠 탐상 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 일렉트로 스파크 트랜스듀서(3)와 어쿠스틱 마이크로폰(4)이 상하 높이 조정이 가능한 지지대(5)(6)상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 어쿠스틱 웨이브를 이용한 흠 탐상 장치.