KR100445371B1 - 미 고결 퇴적코아의 탄성파 속도 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미 고결 퇴적코아의 탄성파 속도를 측정하는 장치에 관한 것이며, 특히 탄성파 중에서 피파(P wave)를 이용하여 미 고결(unconsolidate) 퇴적층의 탄성파 전달속도를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 순간음원발생기, 고 전압발생기 및 프리엠프로 구성된 음원발생부; 신호를 감지하여 CRT상에 나타내는 오실로스코프; 시료의 형상을 유지하기 위한 시료장착기 및 압전체가 내장된 송수신기로 구성된 송수신부; 그리고 피씨와 연결된 디스플레이부로 구성함으로써, 시료장착기에 의하여 미 고결 퇴적물이 임의의 형상으로 일정하게 유지할 수 있으므로 미 고결이라고 하더라도 그 일정한 형상에 의하여 탄성파가 잘 전파될 수 있고, 송수신기의 구조에 의하여 미 고결 퇴적물의 물성에 맞는 압전체가 미 고결 퇴적물의 표면에 정확하게 밀착되어 파형의 전달이 원활하며, 전달되는 파형에 왜곡이 발생되지 않도록 하는 것이다.

Description

미 고결 퇴적코아의 탄성파 속도 측정 시스템{Seismic wave velocity measurment system for unconsolidated sediment cores}

본 발명은 미 고결 퇴적코아의 탄성파 속도를 측정하는 장치에 관한 것으로서, 탄성파 중에서 특히 피파(P wave)를 이용하여 미 고결(unconsolidate) 퇴적층의 탄성파 전달속도를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 지층의 물리적 특성을 파악하기 위한 가장 기본적인 요소는 지층의 속도 즉, 탄성파(seismic wave) 속도이므로, 이러한 지층의 탄성파 속도를 파악하게 되면 지층의 물리적인 특성인 지층의 음향계수, 흡수계수, 감쇄계수, 반사계수 등 물리적 특성을 파악할 수가 있다.

탄성파 속도는 일반적으로 탄성파 단면도에서 간접적으로 구하는 방법과 시추공에서 음파검층(sonic logging)에 의한 방법, 시추코아(core)를 실험실에서 계측하는 직접적인 방법이 있는데, 이들 모든 방법은 지층에 부착된 송신기에서 탄성파를 보내고 수신기에 도달한 음파 도달시간을 측정하여 이루어 질 수 있다. 이 중에서 실험실에 의한 방법이 지층구조를 가장 정확하게 측정할 수 있는 방법이다.

상기한 방법들은 주로 고결(consolidate)된 상태로 존재하는 암석을 대상으로 하여 많은 방법이 발전되어 왔으며, 미 고결(unconsolidate) 퇴적물(sediment)에 대해서는 같은 원리를 적용하려는 연구가 지속되어 왔다.

이러한 미 고결 퇴적물에 대한 탄성파 속도 측정에 대해서는 고도의 기술이 적용된 고가의 장비를 이용하여 제한적인 시료에 적용할 수 있는 방법들이 개발되었다.

그 대표적인 방법이 다기능측정(Multi Sensor Tracks: MST)방법과 수은 기둥 방법이 있다. 전자는 미 고결 해저퇴적물에 탄성파를 주사시켜 연속적인 음파전달속도를 측정하는 방법으로 쉽게 미 고결퇴적물의 속도를 측정할 수 있으며; 후자는 1960년에 Birch에 의해 개발되어 암석에 대해 처음 적용한 후, 방법을 변형하여 미 고결 해양퇴적물에도 활용되고 있다.

그러나 이러한 방법들은, 미 고결 퇴적물은 임의의 형상으로 잘 성형되지 않는다는 취급상의 어려움과 더불어 실용화하는데 기술상의 어려움이 또한 내포하고 있으며, 전자인 다기능측정방법은 속도 측정 장비의 가격이 비싸다는 게 단점이 있으며, 후자인 Birch에 의하여 개발된 방법은 인체 및 환경에 유해하고 취급이 어려운 수은을 사용하여야 번거로움이 있는 것이다.

상기한 문제점들을 해결하기 위하여 전기적 신호를 진동으로 변환하거나 혹은 진동을 전기적 신호로 변환하는 압전체(piezoelectric ceramics)를 이용하여 퇴적물의 속도를 측정하는 방법이 개발되었다.

상기한 압전체의 압전현상은 전기적 에너지와 역학적 에너지의 상호 변환하는 현상으로서, 특정물질에 전기적인 충격을 가하면 역학적인 진동으로 바뀌거나 반대로 역학적인 진동을 감지하여 전기적인 신호로 바뀌어지는 현상을 말한다. 전기에너지에서 진동에너지로 변환된 에너지는 발생원의 종류 및 주파수, 음원의 위치에 따라 전달을 달리하는 특성을 지니고 있으므로 전기에너지를 조절하여 압전체에서 발생하는 진동을 조절하여 진동 발생원의 종류 및 주파수를 조절할 수가 있다.

도 1은 음원으로 많이 사용하는 디스크형 압전체(disk-swinger)를 도시한 것으로서, 압전체 원판 양극에 전위차를 두면 도 1의 a와 같이 원판 양면 바깥방향으로 신장됨과 동시에 도 1의 b와 같이 원판 중심으로 수축하게 된다. 그 다음은 반대현상이 일어나게 된다. 따라서 압전체의 크기와 두께 등과 같은 특성에 따라 특별한 주파수에서 공진(resonance)을 하게 되는 것이며 이러한 공진에 따라 전기적 에너지가 일정한 주파수를 갖고 공진하는 역학적 에너지로 변환하게 되는 것이다.

이러한 압전체를 이용하는 탄성파 속도 측정 시스템을 도 2에 도시하였는 바, 음원 발생기(10), 오실로스코프(20), 고 전압 발생기(30), 송신기(40), 속도 측정 시료(50), 수신기(60) 및 프리엠프(70)로 구성되어 있다.

상기한 속도 측정 시스템은 음원 발생기(10)에서 발생된 음원이 고 전압 발생기(30)을 통하여 신호가 증폭되어 압전체가 내장되어 있는 송신기(40)에 도달하게 된다. 이때 음원 발생기(10)에서 음원이 발생이 되면 오실로스코프(20)에서는 음원이 발생된 시간이 기록되고 후술하는 도달시간이 기록되어 신호의 발생과 도달의 시간 차(差)를 알 수 있게 한다.

이렇게 전달되는 전기적 신호는 송신기(40)에 내장된 압전체에 의해 진동에너지로 변환되고, 이 진동에너지에 의하여 발생하는 공진이 시료(50)에 전달되고 이 공진은 탄성파(seismic wave)로서 시료(50)를 통과한 후에 수신기(60)에 도달하게 되며, 이때 도달된 진동에너지는 수신기(60)에 내장된 압전체에 의하여 다시 전기적인 신호로 변환되며, 수신기(60)를 통과한 신호는 미약한 전기적 신호이므로 프리엠프(70)를 통하여 증폭이 된 후 오실로스코프(20)에 보내져서 전기적 신호가 도달한 시간이 기록되는 것이다.

오실로스코프(20)에 의하여 측정된 신호 발생 시간과 신호 도달 시간의 차는 송신기(40)에 내장된 압전체에 의하여 발생한 탄성파가 시료(50)를 통과한 탄성파의 주행시간(주시시간, travel time)이므로, 이렇게 측정된 주행시간으로서 시료(50)의 탄성파 속도를 측정할 수가 있다.

즉, 속도(V)는 시간(t)과 거리(S)의 함수(S = Vt)이므로 시료(50)의 길이와 시료(50)를 통과한 탄성파 주행 시간을 측정하여 시료(50)의 탄성파 속도를 계산할 수가 있는 것이다.

그러나, 상기한 압전체를 이용한 속도 측정 시스템은 전술한 속도측정방법들의 문제점을 어느 정도는 개선을 하였으나, 이 역시 미 고결 퇴적물의 특성상 임의의 형상으로 성형이 잘 되지 않으며, 미 고결 퇴적물의 물성에 적합하도록 압전체를 구성하기가 곤란하여 정확한 속도를 측정할 수 없다는 단점은 그대로 존재하며, 압전체를 직접 시료에 접촉시켜 사용하므로 압전체에 손상이 발생한다는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 미 고결 퇴적물에 대한 속도측정방법이 미 고결 퇴적물이 임의의 형상으로 잘 성형되지 않는 다는 문제점, 장비의 가격이 고가라는 문제점 및 인체와 환경에 유해하고 취급하기 곤란한 수은을 사용하여야 한다는 문제점, 미 고결 퇴적물의 물성에 맞는 압전체를 구성하기 곤란하다는 문제점, 그리고 압전체를 직접 시료에 닿게 하므로 압전체에 손상이 발생한다는 문제점들을 해결하기 위하여,

미 고결 퇴적물을 임의의 형상으로 성형하도록 하는 성형체를 구성하여 미 고결이라고 하더라도 그 형상을 일정하게 유지하도록 하여 미 고결 퇴적물에 탄성파가 잘 전파될 수 있도록 하며, 압전체가 직접시료에 닿지 않고서도 유효하게 파를 송신하고 수신할 수 있도록 하며, 미 고결 퇴적물의 물성에 맞도록 압전체를 마련하여 압전체가 미 고결 퇴적물의 표면에 정확하게 밀착될 수 있도록 하는 것을 기술적과제로 한다.

도 1은 음원으로 많이 사용하는 디스크형 압전체를 도시한 도면.

도 2는 압전체를 이용하는 일반적인 종래의 탄성파 속도 측정 시스템.

도 3a는 본 발명 일실시예의 시스템 구성을 촬영한 사진.

도 3b는 본 발명 일실시예의 시료장착기에 시료가 포집되어 송수신기에 삽재된 것을 촬영한 사진.

도 4는 본 발명 일실시예인 송수신기의 구성을 보인 단면도.

도 5a는 본 발명 일실시예인 시료장착기의 구성을 보인 사시도.

도 5b는 도 5a의 횡단면도.

도 6은 본 발명 일실시예에서 시료가 포집된 시료장착기가 송수신기에 삽재된 것을 도시한 일부 단면도.

도 7은 본 발명 일실시예의 송수신기에 알루미늄시료를 장착하여 속도를 측정한 결과를 나타내는 캡처화면.

도 8은 본 발명 일실시예의 송수신기에 미 고결 퇴적암의 시료를 장착하여 속도를 측정한 결과를 나타내는 캡처화면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

310 : 음원발생부 320 : 오실로스코프

330 : 송수신부 331 : 송신기

332 : 수신기 333 : 시료장착기

340 : 디스플레이부 410 : 압전체(piezoelectric ceramic)

412 : BNC커넥터 418 : 연결고정구

420 : 시료접촉부 512 : 경사부

514 : 접촉공 610 : 시료

620 : 오링 630 : 공간부

본 발명은 상기한 기술적과제를 실현하기 위하여 일반적인 퇴적물의 속도측정 시스템에서 속도측정에 사용되는 미 고결 퇴적물을 일정한 형상으로 유지할 수 있도록 하는 시료장착기를 구성하고; 이 시료장착기에 담겨진 시료에 접촉되는 압전체가 내장되어 구성되는 송신기 및 수신기를 마련하되, 압전체가 시료에 닿는 면적을 최소화하고 전달되는 탄성파 입자의 움직임을 최대로 감지할 수 있도록 하며, 도달되는 탄성파 파면의 왜곡을 초래하지 않도록 하고, 압전체가 긴밀하고 견고하며 원활하게 담겨 있을 수 있도록 함으로써 이루어 질 수가 있다.

상기의 시료장착기는 속도측정 대상물인 미 고결 퇴적물이 일정한 형상을 유지하도록 하기 위하여 전체적으로는 내부가 비어있는 정육면체 기둥의 형상을 가지도록 하고, 시료 포집 시 시료장착기가 미 고결 퇴적물에 원활하게 삽입될 수 있도록 끝단이 외측에서 내측으로 경사지게 형성하고, 포집되어 시료장착기에 담겨진 시료가 송수신기에 닿을 수 있도록 끝단의 사각면 각 면마다 일정거리에 원형의 접촉공(孔)을 형성하여 이루어 질 수가 있다.

또한, 상기의 송신기 또는 수신기는 고정장치에 의하여 고정을 하게 되며 송신기와 수신기의 사이에는 상기 시료장착기가 개재되어 시료의 속도를 측정할 수 있게 한다. 이러한 송신기와 수신기는 동일한 구성을 가지면서 서로 마주보게 고정을 하게 되므로 이하에서는 송신기의 구성에 대해서 설명을 한다.

송신기는 중하부를 일체로 형성하고, 중하부와 상부는 나사결합으로 체결하여 이루어진다.

중하부는 그 내부에 공간을 형성하여 내부의 최 하단부에는 높이가 낮은 원기둥 형상의 압전체가 안착되도록 하고, 압전체의 상부에는 비엔시(BNC) 커넥터를 마련하며 이 BNC커넥터는 원기둥 형상으로서 측면에는 신호가 송신되는 케이블(cable)과 연결되어 압전체에 신호가 전달될 수 있도록 하며, 상기 BNC커넥터의 상부에는 원기둥 형상의 고정체를 마련하며, 상기 중하부의 상면에는 원주면을 따라 그 내부에 탭이 형성된 다수의 나사체결구를 형성하고, 측면에는 상기 BNC커넥터와 연결되는 외부의 케이블이 관통하면서 고정되는 연결고정구를 마련하여 이루어 질 수 있다.

상기 압전체가 안착된 송신기의 중하부의 최 하면에는 시료와 접촉하는 시료접촉부가 구성되어 있는데, 이 시료접촉부의 직경은 중하부의 직경보다는 작게 형성하여 이루어진다.

상부는 뚜껑(cap)형상으로 구성하되 저면은 상기 고정체의 상면을 긴밀하게 압착할 수 있도록 돌출되게 형성하고 상면의 원주면을 따라 하단으로 관통되는 나사구멍을 형성하여 이루어진다.

상기 상부 상면의 나사구멍에 나사를 삽입하고 회전시키게 되면 상기 중하부의 나사체결구에 형성된 탭에 의하여 나사체결되므로 상부와 중하부가 긴밀하게 체결이 되면서 상기 압전체, BNC커넥터 및 고정체가 송신기의 내부에 서로 긴밀하게 밀착하여 구성이 된다.

상기의 송수신기를 고정하는 고정장치는 상하부에 상부원판과 하부원판을 마련하고 상기 상하부 원판은 원주면을 따라 다수 마련되는 원기둥을 나사결합 또는 용접에 의하여 상하부 원판을 결합하고, 이들 원판의 중심에 공을 형성하여 체결볼트가 관통할 수 있도록 한다.

상기 상하부 원판과 송수신기의 체결은 송신기의 상부 및 수신기의 하부에 나사탭을 형성하고, 상기 상하부 원판에 형성된 공을 통하여 체결볼트의 나사 결합에 의하여 체결될 수 있도록 하며, 수신기는 고정하여 상하로 이동할 수 없도록 하며, 송신기는 나사의 조정에 의하여 상하로 미세한 이동이 가능하도록 하여 상기 시료장착기를 원활하게 삽재하고 상기 시료접촉부가 시료에 정확하게 일정한 압력을 가지면서 밀착될 수 있도록 한다.

한편, 전달되는 탄성파 파면의 왜곡 및 잡음증폭현상을 방지하기 위하여 일체로 형성된 송수신기의 중하부의 하면에 오링을 마련하되 이 오링이 상기 시료접촉부를 감싸는 형태로 이루어지도록 하는 것을 부가하고, 시료장착기에 형성된 원형의 접촉공(孔)에는 단차 즉, 외부에서 내부로 갈수록 그 직경이 작아지는 단차를 두어 상기 오링을 지지할 수 있도록 하여, 이 오링으로 하여금 압전체가 내장되어 파를 송수신하는 송수신기와 시료장착기가 직접 닿지 않도록 매개역할을 하도록 하여 송수신기의 시료접촉부만이 시료에 닿을 수 있도록 하고, 송수신기에 가해지는 압력과 상관없이 지지되는 오링과 단차에 의하여 적당한 압력으로 송수신기의 시료접촉부가 시료에 닿을 수 있도록 함으로써 전파되는 탄성파의 왜곡 및 잡음증폭현상을 방지할 수 있는 것이다.

이하에서는 첨부되는 도면을 참고로 본 발명의 일실시예를 설명하기로 한다. 하기하는 일실시예가 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니므로 당업자의 측면에서 보았을 때 본 발명의 기술적 사상의 동일성을 벗어나지 아니하는 변형된 실시는 본 발명의 권리범위에 벗어나지 못하는 것이다.

도 3a는 본 발명 일실시예의 시스템 구성을 촬영한 사진이며, 도 3b는 본 발명 일실시예의 시료장착기에 시료가 포집되어 송수신기에 삽재된 것을 촬영한 사진이고, 도 4는 본 발명 일실시예인 송수신기의 구성을 보인 단면도이며, 도 5a는 본 발명 일실시예인 시료장착기의 구성을 보인 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 횡단면이며, 도 6은 본 발명 일실시예에서 시료가 포집된 시료장착기가 송수신기에 삽재된 것을 도시한 일부 단면도이고, 도 7은 본 발명 일실시예의 송수신기에 알루미늄시료를 장착하여 속도를 측정한 결과를 나타내는 캡처화면이며, 도 8은 본 발명 일실시예의 송수신기에 미 고결 퇴적암의 시료를 장착하여 속도를 측정한 결과를 나타내는 캡처화면이다.

본 발명에 의한 일실시예(이하 "일실시예"라 함)인 속도측정 시스템은 도 3의 사진에서 볼 수 있는 바와 같이 음원발생부(310), 오실로스코프(320), 송수신부(330) 및 디스플레이부(340)로 구성되어 있다.

상기 음원발생부(310)는 순간음원발생기, 고 전압발생기 및 프리엠프로 구성이 되어 있으며; 상기 송수신부는 압전체가 내삽되어 있는 송수신기 및 측정되는 미 고결 퇴적물이 포집되어 내재하는 시료장착기로 구성이 되어 있고; 그리고 상기 디스플레이부(340)는 개인용 컴퓨터(PC)에 연결되어 오실로스코프(320)에서 발생하는 신호를 디지털화하여 그래프와 더불어 데이터를 숫자로 표시하여 주고 데이터를 처리할 수 있도록 한다.

상기 음원발생부(310)에서 순간음원발생기(trigger pulse)는 불연속적으로 반복하여 구형의 파형을 발생시킬 수 있는 장치로 출력되는 파의 진폭은 볼트(volt)로 나타낸다. 이 순간음원발생기에서 음원이 발생하면 하기하는 고전압 발생기에 의해 신호의 왜곡이 없이 증폭된 전기적신호를 압전체 양극에 가해주어전위차를 만든다. 음원은 위치를 바꾸어도 그 이전의 파형을 재생할 수 있어야 하고 음원 자체로부터 발생되는 overswing이 약화되어야 하며, 압전체에 손상을 주지 않아야 한다. 일실시예의 순간음원발생기는 구형펄스폭이 2.5 ㎲(micro second) 이고 반복주기는 4.6 KHz로 고전압부의 송신 압전체에 주기적으로 순간음원을 가하면 고전압이 1 ㎲(micro second) 동안 20번씩 DC 900 volt 에서 0(zero) volt로 하강한다.

상기 음원발생부(310)에서 고전압 발생기는 AC 200 V의 전압을 송신부 압전체에 가하여 신호 왜곡 없이 신호를 900볼트로 증폭시킨다. 이와 같은 증폭된 고전압은 항상 일정하게 유지하고 있으며 순간음원을 가할 때만 고전압이 0(zero) 볼트로 내려오게 된다.

상기 음원발생부(310)에서 프리엠프는 시료를 통과하고 수신기에 도달한 신호가 시료에 흡수 또는 확산 등으로 에너지가 약해진 상태이므로 이를 증폭하는 역할을 한다. 상기 프리엠프는 직류결합 차동증폭기이며 우수한 동상제거능력(Common-mode rejection capabilities)을 갖고 있으며, 특히 저전압 신호를 고이득으로 측정할 수 있는 장점이 있으며, 일실시예에서는 High pass 필터(200 KHz)를 이용하여 20 dB 까지 증폭할 수 있도록 하였다.

상기 오실로스코프(320)는 입력신호와 측정된 신호를 화면상에 나타내는 기기로서, 오실로스코프(320)에 의하여 관측된 탄성파의 도달시간을 계산하고 시료의 길이를 도달시간으로 나누면 시료의 속도를 계산할 수 있다. 일실시예에서 사용된 기기는 Tektronix-TDS220으로 2 채널이며, 100 MHz 까지 측정 가능하고 신호파형의변화를 자세하게 측정할 수 있다. 이러한 오실로스코프(320)는 상기 순간음원발생기에 의해 수행되는 신호를 기록하여 시간축 상에서 나타나는 점을 정확하게 측정하여 CRT 상에서 신호 주기를 관측할 수 있으며, 관측된 신호는 RS-232C 케이블을 연결하여 디스플레이부(340)의 PC 상에서 관측하고 자료를 기록할 수 있는 것이다.

한편 상기 송수신부(330)는 송신기(331) 및 수신기(332)와 이 송수신기(331, 332)에 내재되는 시료장착기(333)가 구성되고, 상기 송신기(331)는 체결볼트(334)에 의하여 상부원판(351)에 고정되어 이 체결볼트(334)의 회전에 의하여 상하로 이동할 수 있는 것이고, 수신기(332)는 하부원판(352)에 볼트에 의하여 고정 체결된다. 상기 송신기(331)의 측면에는 음원발생부(310)에서 발생한 전기적 신호가 오실로스코프(320)를 통해서 입력되는 송신케이블(335)이 연결되어 있으며, 수신기(332)의 측면에는 시료장착기(333)에 내재되어 있는 시료를 통과한 파형신호가 오실로스코프(320)로 전달되는 수신케이블(336)이 연결되어 있으며, 상기 상부원판(351)과 하부원판(352)은 상기 원판(351, 352)의 원주면을 따라 다수 형성된 공과 원기둥(353)이 나사(354) 결합에 의하여 고정된다.

도 4는 본 발명 일실시예인 송수신기의 구성을 보인 단면도로서, 송신기와 수신기는 동일한 구조을 가지는 것이므로, 송신기에 대해서만 설명을 하기로 한다.

중하부는 그 내부에 공간을 형성하여 내부의 최 하단부에는 높이가 낮은 원기둥 형상의 압전체(410)가 안착되도록 하고, 압전체(410)의 상부에는 비엔시(BNC)커넥터(412)를 마련하며 이 BNC커넥터(412)는 원기둥 형상으로서 측면에는 신호가 송신되는 케이블(cable)(335)과 연결되어 압전체(410)에 신호가 전달될 수 있도록하며, 상기 BNC커넥터(412)의 상부에는 원기둥 형상의 고정체(414)를 마련하며, 상기 중하부의 상면에는 원주면을 따라 그 내부에 탭이 형성된 다수의 나사체결구(416)를 형성하고, 측면에는 상기 BNC커넥터(412)와 연결되는 외부의 케이블(335)이 관통하면서 고정되는 연결고정구(418)를 마련하여 이루어 질 수 있다.

상기 압전체(410)가 안착된 송신기(331)의 중하부의 최 하면에는 시료와 접촉하는 시료 접촉부(420)가 구성되어 있는데, 이 접촉부(420)의 직경은 상기 중하부의 직경보다는 작게 형성하여 이루어진다.

상부(450)는 뚜껑(cap)형상으로 구성하되 저면은 상기 고정체의 상면을 긴밀하게 압착할 수 있도록 돌출되게 돌출부(452)를 형성하고 상면의 원주면을 따라 하단으로 관통되는 다수의 나사구멍(454)을 형성하여 이루어 진다.

상기 상면의 나사구멍(454)에 나사를 삽입하고 회전시키게 되면 상기 중하부의 나사체결구(416)에 형성된 탭에 의하여 나사체결되므로 상부와 중하부가 긴밀하게 체결이 되면서 상기 압전체(410), BNC커넥터(412) 및 고정체(414)가 송신기(331)의 내부에 서로 긴밀하게 밀착하여 구성이 된다.

상기의 시료장착기(333)는 속도측정 대상물인 미 고결 퇴적물이 일정한 형상을 유지하도록 하기 위하여 전체적으로는 내부가 비어있는 정육면체 기둥의 형상을 가지도록 하고, 시료 포집 시 시료장착기가 미 고결 퇴적물에 원활하게 삽입될 수 있도록 끝단이 외측에서 내측으로 경사지게 경사부(512)를 형성하고, 포집되어 시료장착기에 담겨진 시료가 송수신기에 닿을 수 있도록 끝단의 사각면 각 면마다 일정거리에 원형의 접촉공(孔)(514)을 형성하여 이루어 질 수가 있으며, 상기접촉공(514)은 단차(516)를 두어 접촉공(514)의 외부직경보다 내부직경이 작도록 구성하여 이루어진다.

상기와 같이 구성되어진 탄성파 속도 측정 시스템에서 송수신기와 시료장착기에 시료가 삽재되어 있는 모습은 도 6에 도시하였는 바, 도 6은 본 발명 일실시예에서 시료가 포집된 시료장착기가 송수신기에 삽재된 것을 도시한 일부 단면도로서, 송신기(331)와 수신기(332)의 삽재된 시료장착기(333)의 내부에는 속도 측정의 대상이 되는 미 고결 퇴적물인 시료(610)가 내재되어 있으며, 송수신기(331, 332)의 시료접촉부(420, 421)가 시료(610)에 적정한 압력을 가하면서 접촉을 하고 있으며, 이러한 적정 압력을 유지하기 위하여 시료장착기(333)의 단차(516)에는 송수신기(331, 332)의 시료접촉부(420, 421)의 외주연에 끼워진 오링(620)이 안착되어 송수신기(331, 332)가 더 이상 시료(610)를 압착하지 아니하도록 하며, 오링(620)에 의하여 송수신기(331, 332)와 시료장착기(333)의 사이에 공간부(630)가 형성되어 송수신기(331, 332)와 시료장착기(333)가 직접적으로 접촉하지 않도록 하여 파의 왜곡 및 잡음증폭을 방지할 수 있는 것이다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 미 고결 퇴적코아의 탄성파 속도 측정 시스템에서 시료의 크기를 2.54 ㎝ X 2.54 ㎝ X 2.54 ㎝로 하고, 압전체의 크기를 직경 16 ㎜, 두께 2 ㎜ 그리고 공진 주파수는 950 KHz로 하고, 음원발생기에서 발생시키는 음원은 구형의 펄스로서 폭을 2.5 ㎲ 그리고 반복주기는 4.5 KHz로 하며, 고 전압은 1 ㎲ 동안 20번씩 DC 900 volt에서 0(zero) volt로 하강하도록 구성하여 본 발명에 의한 시스템의 현장 적용성을 검토하기로 한다.

이때 먼저 탄성파 전파속도가 잘 알려진 알루미늄을 그 크기를 2.54 ㎝ X 2.54 ㎝ X 2.54 ㎝로 하는 표준시료로 이용하여 본 발명에 의한 시스템의 신뢰도를 확인하고, 실제 미 고결 퇴적물(대한민국 동해의 연안지역에서 포집)을 실제 시료로서 속도측정을 하여 김성렬 외 3인(한국해양학외지, 26, 59 - 66, 김성렬, 이용국, 석봉출, 신동혁, 1991)이 동일한 지역에서 실험한 시료의 속도를 비교하여 현장적용성을 검토한다.

먼저 알루미늄시료를 송신기(331)와 수신기(332)의 사이에 삽재를 하고 알루미늄시료의 속도를 측정한 결과 화면을 캡처하여 도 8에 나타내었는 바, 오실로스코프(320)에 의하여 나타내진 그래프에서 한 격자 간격이 2.5 ㎲이고, X축 밑에 있는 그래프가 하부로 수직으로 내려가는 순간이 신호가 발생하는 순간이며, X축 상에서 움직이는 그래프가 원점에서 위로 상승하는 순간이 수신기에서 발생된 신호가 발생한 순간이므로, 이는 격자가 2칸이므로 초동 주시시간(travel time)은 5 ㎲임을 알 수가 있다. 이때 송신기(331)와 수신기(332)기의 지연시간을 상기 주시시간에서 빼주어야 하며, 이 지연시간은 송신기(331)와 수신기(332)를 서로 맞대어 신호를 보내는 경우에 측정되는 지연시간을 말하는 것으로서 상기의 시스템에서는 0.8 ㎲로 나타났다.

그러므로, 상기 주시시간 5 ㎲에서 지연시간 0.8 ㎲를 빼면 실제 주시시간은 4.2 ㎲이고, 시료의 길이는 2.54 ㎝이므로 속도(2.54 ㎝ ÷4.2 ㎲)는 6,047 m/s가 됨을 알 수가 있으며, 이는 일반적인 알루미늄의 속도가 6,000 m/s 전후임을 감안할 때 상당히 신뢰할 수 있는 결과 값임을 알 수가 있다.

다음은 대한민국 동해 연안에서 포집한 미 고결 퇴적물을 시료로서 속도측정을 하여 상기 김성렬 외 3인이 실험한 데이터와 비교를 하겠다.

먼저 시료는 시료장착기(333)의 경사부(512)를 동해 연안의 미 고결 퇴적물에 삽입하여 미 고결 퇴적물이 시료장착기(333)의 후반부까지 들어갈 수 있도록 하여 시료를 포집하고, 접촉공(514)의 외부로 튀어나온 시료는 적당하게 긁어낸다. 그 다음에 시료장착기(333)를 송신기(331)와 수신기(332)의 사이에 삽재하여야 하는 데 송신기(331)는 체결볼트(334)를 완전히 조여준 상태이므로 상부로 밀착이 되어 있고 시료장착기(333)의 단차(516)와 수신기(332)에 마련된 오링(620)이 정확하게 맞닿아 안착이 되도록 하고 상기 체결볼트(334)를 풀어주게 되면 송신기(331)가 하부로 내려오면서 시료장착기(333)의 타측의 단차에 송신기(331)의 오링(620)이 안착이 되어 시료(610)에 적당한 압력을 주면서 삽재가 되고 이때 송수신기(331, 332)와 시료장착기(333)에는 공간부(630)가 형성되어 이 송수신기(331, 332)와 시료장착기(333)가 직접적으로 닿는 것을 방지하게 된다.

이와 같이 시료장착기(333)가 송수신기(331, 332)의 사이에 삽재가 되면 음원발생부(310)의 순간음원발생기에서 음원을 발생시키고 이 음원은 고 전압 발생기에서 증폭이 되어 송신케이블(335)를 통하여 전기에너지가 송신기(331) 내부의 BNC커넥터(412)에 전달이 되고, 이렇게 전달이 된 전기에너지는 압전체(410)에 공진을 발생시켜 역학적에너지로 변환이 되며, 이 역학적 에너지는 시료접촉부(420)로 전달이 되고 곧장 시료(610)로 전달이 되고, 이 역학적 에너지는 탄성파로서 시료(610)를 통과하고 수신기(332)의 시료접촉부(421)에 닿게 되고 이 역학적에너지는 수신기(332)의 압전체에 전달이 되어 다시 전기적 에너지로 변환이 되고, 이 전기에너지는 수신기(332)의 BNC커넥터를 통하여 음원발생부(310)의 프리엠프에 전달되어 신호가 증폭이 되면서 이 증폭된 신호가 오실로스코프(320)에 기록이 되고, 이렇게 오실로스코프(320)에 기록된 파형의 기록은 디스플레이부(340)와 연결된 PC에 의하여 처리가 되어 디스플레이 되어 주시시간을 측정할 수가 있는 것이다.

상기와 같이 대한민국 동해연안의 미 고결 퇴적물에 대한 본 발명의 시스템에서 측정한 결과를 도 8에 도시하였는 바, X축 밑의 그래프가 하부로 내려가는 지점과 X축 상의 그래프가 상부로 상승하는 지점과는 격자가 3칸에서 조금 더 되는 것이며, 이 격자 하나의 간격이 5 ㎲이므로 상기 시료의 측정시간은 17.2 ㎲이고, 본 발명에 의한 시스템의 일실시예의 지연시간인 8 ㎲를 빼면 16.4 ㎲임을 알 수가 있다. 이러한 측정은 2개의 시료를 실험한 결과가 동일하게 나타남을 하기의 표 1에서 알 수가 있다. 상기의 주시시간에서 속도를 계산하면 속도가 1,548 m/s(25.4 ㎝ ÷ 16.4 ㎲)임을 알 수가 있다.

	길이(cm)	측정시간(㎲)	지연시간(㎲)	실제도달시간(㎲)	속도(m/s)
시료 1	2.54	17.2	8	16.4	1,548
시료 2	2.54	17.2	8	16.4	1,548

상기의 측정된 속도는 김성렬 외 3인이 동해안의 미 고결 퇴적물에 대하여 측정한 속도인 1,450 m/s ~ 1,600 m/s의 범위에 있는 것이므로 이는 본 발명에 의한 속도 측정 시스템의 현장적용성이 우수하다는 것을 알 수가 있는 것이다.

상기에서 개진한 바와 같이 본 발명에 의한 속도 측정 시스템을 이용하여 미 고결 퇴적물의 속도를 측정하는 경우에 미 고결인 상태의 퇴적물을 임의의 형상으로 고정하여 속도를 측정할 수 있으며, 간단하고 저렴한 장비로서 미 고결 퇴적물의 속도를 측정할 수가 있는 것이며, 인체와 환경에 유해하고 취급하기 곤란한 수은을 사용하지 않아도 되는 것이며, 시료장착기가 일정한 형상을 가지고 있으므로 시료의 크기 변화에 따라 속도 측정기의 변수를 변화시켜 주지 않아도 되는 것이며, 시료장착기에 형성된 단차와 송수신기에 마련되는 오링에 의하여 미 고결 퇴적물에 무리하게 힘이 가해지지 않도록 하면서 시료 접촉부가 시료에 접촉이 되고 송수신기와 시료장착기가 직접적으로 닿지 아니하므로 탄성파의 파형에 왜곡 및 잡음증폭현상이 발생하지 않으며, 압전체가 송수신기의 내부에 마련이 되므로 직접 시료에 닿지 않아 압전체의 자체 손상이 발생하지 않으며, 피씨(PC)와 연결하여 데이터를 처리하므로 측정과 동시에 속도를 알 수가 있는 효과가 있으며, 이러한 효과 및 장점에 의하여 간편하고 간단한 장치에 의하여 미 고결인 퇴적물의 속도를 간편하게 측정할 수 있는 것이다.

Claims (10)

1. 미 고결 퇴적물의 속도 측정 시스템에 있어서,

   순간음원발생기, 고 전압발생기 및 프리엠프로 구성된 음원발생부;

   내부가 비어있는 정육면체 기둥의 형상을 가지도록 하고, 시료 포집 시 시료장착기가 미 고결 퇴적물에 원활하게 삽입될 수 있도록 끝단이 외측에서 내측으로 경사지게 경사부를 형성하고, 포집되어 담겨진 시료가 송수신기에 닿을 수 있도록 끝단의 사각면 각 면마다 일정거리에 원형의 접촉공(孔)을 형성하여 이루어진 시료장착기와 중하부 내부에 공간을 형성하여 내부의 최 하단부에는 압전체가 안착되도록하고, 상기 압전체의 상부에는 비엔시(BNC)커넥터를 마련하며, 상기 BNC커넥터의 상부에는 고정체를 마련하며, 상기 중하부의 측면에는 상기 BNC커넥터와 연결되는 외부의 케이블이 관통하면서 고정되는 연결고정구를 마련하고, 상기 중하부의 최 하면에는 중하부보다 직경이 작도록 형성되며 외주연으로 오링이 마련되고 시료와 접촉하는 시료접촉부가 구성되어 있으며, 상부는 뚜껑(cab)형상으로 구성하되 저면은 상기 고정체의 상면을 긴밀하게 압착할 수 있도록 돌출부를 형성하여 이루어진 송수신기로 구성된 송수신부;

   상기 음원발생부에서 입력된 입력신호를 케이블을 통해 송수신부에 입력시키고, 송수신부에 내재된 미 고결 퇴적코아를 통과하여 측정된 신호를 화면상에 나타내는 오실로스코프;

   상기 오실로스코프에서 측정된 신호를 관측하고 자료를 기록할 수 있느 피씨와 연결된 디스플레이부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미 고결 퇴적코아의 탄성파 속도 측정 시스템.
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