KR100993989B1 - 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법 - Google Patents

레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 피 검출재에 조사하여 발생하는 초음파를 검출하는 레이저 초음파 측정장치 및 그 방법에 관한 것으로 특히, 피 검사체의 표면의 손상을 경감시켜 종파 및 횡파의 음속을 계측하는 레이저 초음파 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
레이저 초음파 측정장치는 피 검사체에 초음파 발생용 레이저 광원에 의해 펄스 레이저광을 조사하여 초음파를 발생시켜 초음파 검출용 레이저 광원에 의해 연속파 레이저광을 해당 피 검사체에 조사하여 그 레이저 반사광을 간섭계에서 간섭을 일으켜서 상기 초음파에 의한 도플러 시프트에 의한 광 강도 변화를 검지하여 상기 피 검사체 내를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 초음파 측정장치이며, 상기 펄스 레이저광을 단면형상이 선형상의 빔으로 변환한 후에 상기 피 검사체 상에 회절격자로 복수의 선형상 스폿의 간섭무늬를 생성하여 조사하는 제1 조사광학계와, 상기 펄스 레이저광을 상기 피 검사체 상에 점형상 스폿으로 집광·조사하는 제2 조사광학계와, 상기 제1 조사광학계에 의해 생성한 복수의 선형상 스폿에 의해 발생되어 피 검사체 내를 이 선형상 스폿의 배열 방향으로 전파한 판파 초음파 및 상기 점형상 스폿에 의해 발생하여 피 검사체 두께방향에 전파한 각각의 판파를 각각 검출하기 위해 상기 연속파 레이저광을 피 검사체 상의 소정의 검사점에 집광·조사하여 그 레이저 반사광을 상기 간섭계에 입사시켜 간섭을 일으키는 검출광학계와, 상기 간섭계를 투과한 레이저광을 수광하여 광 강도 변화를 전기신호로 출력하 는 광 검출부와,상기 광 검출부에서 출력된 전기신호가 입력되어 피 검사체의 음속을 도출하는 신호처리부를 구비하고, 상기 신호처리부는, 상기 제1 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 비대칭파 판파의 주파수를 산출하는 비대칭파 판파의 주파수 산출부와, 상기 제2 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 대칭파 판파 주파수를 산출하는 대칭파 판파 주파수 산출부와, 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 상기 대칭파 판파의 주파수에 기초하여 소정의 식을 이용하여 횡파 음속 및 종파 음속을 산출하는 횡파 종파 음속 산출부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
레이저, 초음파, 피 검출재, 음속, 주파수

Description

레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법{Laser ultrasonic measuring device and laser ultrasonic measuring method}
본 발명은 레이저를 피 검출재에 조사하여 발생하는 초음파를 검출하는 레이저 초음파 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로 특히, 피 검사체의 표면의 손상을 경감시켜 종파 및 횡파의 음속을 계측하는 레이저 초음파 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
레이저 초음파법은 피 검출재에 대해 펄스 레이저광을 조사하여 발생하는 열적응력 또는 표면 근방의 피 검출재 자체의 기화에 의해 발생하는 기화반응을 이용하여 초음파를 송신하고 연속 발진하는 별도의 레이저광을 수신점에 조사하여 그 직진성이나 가 간섭성을 이용하여 초음파에 의해 유기되는 변위를 수신하여 피 검출재의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 기술이다.
레이저 초음파법은 초음파를 이용하여 재료의 균열이나 내재하는 결함의 검출 또는 재료 특성의 평가를 접촉하지 않고도 행할 수 있으며, 여러 종류의 재료 평가 분야로의 응용이 기대되고 있다.
도 11을 이용하여 레이저 초음파법의 원리에 대해 설명한다.
높은 에너지의 펄스 레이저인 초음파 발생용 레이저를, 예를 들면 피 검출재인 강재 표면에 조사하면 그 충격으로 금속 표면에 생기는 열팽창 및 수축에 의해 뒤틀림이 발생한다. 그리고, 발생한 뒤틀림이 초음파로 강재 내부를 전파한다. 다음으로, 초음파 검출용 단일 주파수의 연속 레이저광을 금속 표면에 조사하면, 그 반사광은 전파한 초음파에 의한 표면 진동에 따른 주파수 변화(도플러 시프트)를 받는다. 이하에 도플러 시프트량(Δf)을 나타내는 수학식 1을 나타낸다.
Δf=2V/λ[Hz]
여기서, V=표면변위속도, λ=레이저 파장
레이저 초음파법을 이용한 계측기는 페브리 페롯 간섭계 등의 레이저 간섭계를 구비하고 있다. 페브리 페롯 간섭계는 특정 주파수만을 공진시켜 투과시키는 필터로 동작한다. 예를 들면, 강재 내부에 결함부가 있는 경우, 표면진동이 통상의 강재와 다르기 때문에 도플러 시프트량은 통상의 강재와 다른 값을 나타낸다. 이 때문에 페브리 페롯 간섭계를 투과하는 투과 광량이 변화하여 검사재의 균열이나 결함의 검사 또는 재료 평가를 할 수 있다.
레이저 초음파법으로는 레이저광이 미치는 범위라면 검사대상에 어떠한 접촉도 하지 않고 검사대상의 상태를 관측할 수 있다. 레이저광은 광섬유나 거울을 이 용하여 접촉이나 근접이 곤란한 피 검출재에 대해서도 비교적 용이하게 초음파 검사를 할 수 있다.
도 12를 이용하여 레이저광 조사에 의한 초음파의 발생원리에 대해 설명한다. (a)는 레이저광을 피 검사체에 조사하여 피 검사체의 일부를 증발시키는 현상인 어블레이션에 의해 초음파를 발생시기는 케이스이며, (b)는 레이저광을 피 검사체에 조사하여 피 검사체에 열탄성 변화를 발생시켜 초음파를 발생시키는 케이스이다.
어블레이션 발생 케이스에서는 증발반력(蒸發反力)에 의해 탄성파를 발생시키기 때문에 재료에 조사한 흔적이 발생한다. 한편, 열탄성 케이스에서는 레이저에 의한 급속 가열에 따른 열팽창·수축을 동반하는 탄성파 발생을 발생시키지만 재료에 조사한 흔적은 생기지 않는다. 열탄성 케이스는 재료에 손상을 주지 않지만, 어블레이션 조건에 비해 열탄성 케이스에서는 에너지 밀도 레벨(fluence level)은 2자리수 가깝게 낮기 때문에 발생하는 초음파 음압은 이 이상의 비율로 감소한다.
종래의 레이저 초음파법은 대상재에 손상을 입혀 초음파를 발생시키는 어블레이션 영역에서 사용하는 방법이다. 이 방법은 발생 초음파의 강도가 강하고 초음파의 종파나 횡파의 음속을 검출한다. 또한, 검출한 종파나 횡파의 음속을 활용하여 상변태율을 계측에 활용하는 방법(하기, 비 특허문헌 1 및 2)이나 포아송비를 계측하는 방법(하기, 비 특허문헌 3)이 제안되어 있다.
<비 특허문헌 1>M. Dubois, A. Moreau, M. Militzer, and J. F. Bussiere, "Laser－Ultrasonic Monitoring of Phase Transformations in Steels", Scripta Materialia, Vol. 39, No. 6, p.735－741, 1998
<비 특허문헌 2>M. Ericsson, E.Lindh－Ulmgren,D. Artymowicz and B. Hutchison, "Laserultrasonics(LUS) for microstructure characterization", Research report IM－2003－113, Swedish institute for metals research, 2003
<비 특허문헌 3>B. Hutchinson, B. Moss, A. Smith, A. Astill, C. Scruby, G. Engberg, and J. Bjorklund, "Online characterization of steel structures in hot strip mill using laser ultrasonic measurements", Ironmaking and Steelmaking, Vol. 29, No. 1,p.77－80, 2002
피 검사체의 표면에 손상을 입히지 않고 초음파를 발생시키는 열탄성 영역에서는 초음파의 발생전파 방향에 따라 종파와 횡파의 크기가 다르고 초음파전파의 지향성을 가지기 때문에 종파 및 횡파의 음속을 계측하는 것이 곤란하다. 이 때문에 종래에 제안되어 있는 방법으로는 종파 및 횡파 음속의 계측에 어블레이션 영역이 이용되고 있고 피 검사체에 미치는 손상이 크다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 대상재의 표면에 미치는 손상을 경감하고 종파 및 횡파의 음속을 계측하는 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 제공되는 본 발명의 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법은 하기에 기재한 바와 같다.
본 발명의 레이저 초음파 측정장치는 피 검사체에 초음파 발생용 레이저 광원에 의해 펄스 레이저광을 조사하여 초음파를 발생시키고 초음파 검출용 레이저 광원에 의해 연속파 레이저광을 해당 피 검사체에 조사하여 그 레이저 반사광을 간섭계에서 간섭을 일으켜 상기 초음파에 의한 도플러 시프트에 의한 광 강도 변화를 검지하여 상기 피 검사체 내를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 초음파 측정장치이며, 상기 펄스 레이저광을 단면형상이 선형상의 빔으로 변환한 후에 상기 피 검사체 상에 회절격자로 복수의 선형상 스폿의 간섭무늬를 생성하여 조사하는 제1 조사광학계와, 상기 펄스 레이저광을 상기 피 검사체 상에 점형상 스폿으로 집광·조사하는 제2 조사광학계와, 상기 제1 조사광학계에 의해 생성한 복수의 선형상 스폿에 의해 발생되어 피 검사체 내를 이 선형상 스폿의 배열방향에 전파한 판파 초음파 및 상기 점형상 스폿에 의해 발생하여 피 검사체의 두께방향에 전파한 각각의 판파 초음파를 각각 검출하기 위해 상기 연속파 레이저광을 피 검사체상의 소정의 검사점에 집광·조사하고 그 레이저 반사광을 상기 간섭계에 입사시켜 간섭을 일으키는 검출광학계와 상기 간섭계를 투과한 레이저광을 수광하여 광 강도 변화를 전기신호로 출력하는 광 검출부와, 상기 광 검출부에서 출력된 전기신호가 입력되어 피 검사체의 음속을 도출하는 신호처리부를 구비하고, 상기 신호처리부는 상기 제1 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 비대칭파 판파의 주파수를 산출하는 비대칭파 판파의 주파수 산출부와, 상기 제2 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 대칭파 판파 주파수를 산출하는 대칭파 판파 주파수 산출부와 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 상기 대칭파 판파 주파수에 기초하여 소정의 식을 이용하여 횡파 음속 및 종파 음속을 산출하는 횡파 종파 음속 산출부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 초음파 측정장치에서 상기 비대칭파 판파의 주파수 산출부는 상기 제1 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 비대칭파 판파의 주파수를 도출하고 해당 비대칭파 판파의 주파수와 상기 복수의 선형상 스폿의 피치로부터 비대칭 판파의 위상속도를 산출하는 것이며, 대칭파 판파 주파수 산출부는 상기 제2 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 대칭파 판파의 공진 주파수를 도출하는 것이며, 상기 횡파 종파 음속 산출부는 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 위상속도 및 상기 대칭파 판파의 공진 주파 수를 이용하여 소정의 초음파 전파의 이론식에 기초하여 반복 연산을 실시하여 횡파 음속 및 종파 음속을 도출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 초음파 측정방법은 피 검사체에 초음파 발생용 레이저 광원에 의해 펄스 레이저광을 조사하여 초음파를 발생시키고 초음파 검출용 레이저 광원에 의해 연속파 레이저광을 해당 피 검사체에 조사하여 그 레이저 반사광을 간섭계에서 간섭을 일으켜서 상기 초음파에 의한 도플러 시프트에 의한 광 강도 변화를 검지하여 상기 피 검사체 내를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 초음파 측정장치를 이용한 레이저 초음파 측정방법이며, 상기 펄스 레이저광을 단면형상이 선형상의 빔으로 변환한 후에 상기 피 검사체 상에 회절격자로 복수의 선형상 스폿의 간섭무늬를 생성하여 조사하는 제1 레이저광 조사공정과, 상기 펄스 레이저광을 상기 피 검사체 상에 점형상 스폿으로 집광·조사하는 제2 레이저광 조사공정과, 상기 제1 레이저광 조사공정에 의해 생성한 복수의 선형상 스폿에 의해 발생되어 피 검사체 내를 이 선형상 스폿의 배열방향에 전파한 판파 초음파 및 상기 점형상 스폿에 의해 발생하고 피 검사체의 두께방향에 전파한 각각의 판파 초음파를 각각 검출하기 위해 상기 연속파 레이저광을 피 검사체 상의 소정의 검사점에 집광·조사하여 그 레이저 반사광을 상기 간섭계에 입사시켜 간섭을 일으키는 초음파 검출공정과, 상기 간섭계를 투과한 레이저광을 수광하여 광 강도 변화를 전기신호로 출력하는 광 검출공정과, 상기 광 검출부에서 출력된 전기신호가 입력되어 피 검사체의 음속을 도출하는 신호처리공정을 구비하고, 상기 신호처리공정은 상기 제1 레이저 광 조사공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 비대칭파 판파의 주파수를 산출하는 비대칭파 판파의 주파수 산출공정과, 상기 제2 레이저광 조사공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 대칭파 판파 주파수를 산출하는 대칭파 판파 주파수 산출공정과 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 상기 대칭파 판파 주파수에 기초하여 소정의 식을 이용하여 횡파 음속 및 종파 음속을 산출하는 횡파 종파 음속 산출공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 레이저 초음파 측정방법에서 상기 비대칭파 판파의 주파수 산출공정은 상기 제1 레이저광 조사공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 비대칭파 판파의 주파수를 도출하고 해당 비대칭파 판파의 주파수와 상기 복수의 선형상 스폿의 피치로부터 비대칭 판파의 위상속도를 산출하고 상기 종파 음속 산출공정은 상기 제2 레이저광 조사 공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 대칭파 판파의 공진 주파수를 도출하고 상기 횡파 종파 음속 산출공정은 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 위상속도 및 상기 대칭파 판파의 공진 주파수를 이용하여 소정의 초음파 전파의 이론식에 기초하여 반복 연산하여 횡파 음속 및 종파 음속을 도출하는 것을 특징으로 한다.
상기한 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법은 피 검출재의 표면으로의 손상을 경감하는 레이저 펄스 에너지 밀도가 낮은 레이저광에 의해 종 파 및 횡파의 음속측정을 고 정밀도로 행할 수 있다. 이 때문에 피 검사체는 열탄성 변화영역에서의 레이저 사용에 의해 손상을 경감할 수 있다. 이 결과, 보다 정밀도가 높은 검사재의 균열이나 결함의 검사 또는 재료평가를 비파괴, 비접속으로 할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법을 실시하기 위한 형태를 설명한다.
비특허문헌 4［J.D.Achenbach, "Wave propagation in elastic solids", Amsterdam, North－Holland, 1973］에 기재된 판파의 이론에서는 판파에는 각각이 복수의 모드을 가지는 대칭파 판파와 비대칭파 판파가 있다.
여기서, 판파는 초음파 탐상 등의 초음파 이용 분야에서 주지인 초음파전파 현상이며, 종파와 횡파가 일체가 되어 전파함으로써 판 전체를 진동시키는 것처럼 보이는 파이다. 비대칭 판파는 비대칭의 파형을 가지는 판파이며, 대칭 판파는 대칭파의 파형을 가지는 판파이다(또한, 대칭파 판파 및 비대칭파 판파와 이들을 구성하는 종파 및 횡파와의 관계는 후술하는 도 3 및 수학식 2 내지 수학식 4에 의해 나타낸다).
본 실시형태에서는 비대칭파 판파측정 및 종파 음속측정 별로 적합한 레이저초음파 측정장치를 이용하여 판파의 종파 음속 및 횡파 음속을 검출한다.
<비대칭파 판파 검출용 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치>
도 1의 (a)는 본 실시형태에서의 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)의 개략적인 구성을 나타내는 도이다. 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)는 비대칭파 판파의 초음파를 피 검사체(7)에 발생시켜 해당 비대칭파 판파를 검출하는 것을 목적으로 한다.
도 1의 (b)는 피 검사체(5)의 위에서 본 평면도이다. (a)에 나타낸 바와 같이 초음파 발생용 레이저 광원(11)은 피 검사체(5)에 초음파를 발생시키기 위한 레이저로 소정의 반복 주기로 펄스 레이저광을 발사한다. 초음파 발생용 레이저 광원(11)에서 발사된 펄스 레이저광은 실린드리컬 렌즈(43)에서 단면형상이 선형상의 빔(선형상 광)으로 변환된 후 회절격자(14)에서 회절되어 피 검사체(5)에 복수의 선형상 스폿으로 조사된다. 실린드리컬 렌즈(43)와 회절격자에 의해 제1 조사광학계가 구성된다.
회절격자(14)는 예를 들면, 투명한 유리에 가는 선형상 패턴이 다수 평행하게 설치된 것으로 여기에 조사된 레이저 빔은 각각의 선형상 패턴에 의해 회절하여 피 검사체(5)의 표면상에서 복수의 선형상 스폿으로 이루어진 간섭무늬가 형성되고 이 복수의 선형상 스폿에 의해 피 검사체(5)의 표면이 가열되어 판파 초음파(이하, 판파라고도 기재함)(W)로 초음파가 발생한다.
발생한 판파(W)의 파장(λ)은 간섭무늬의 피치(p)와 같다. 판파(W)는 피 검사체(5)를 피 검사체(5)의 면내 방향에서 간섭무늬의 선형상 스폿 방향과 직교하는 방향에 즉, 복수의 선형상 스폿의 배열방향에 전파하여 검출점(6)에 도달하면 초음 파 검출용 레이저 광원(12)에서 연속파 레이저광으로 발사하고 있는 검출용 레이저광을 광학계(미도시)에 의해 해당 검출점(6)에 집광·조사하면 검출점(6)을 통과하는 판파(W)의 진동에 의해 검출용 레이저광의 파장에 도플러 시프트가 생긴다. 이와 같이 검출점(6)은 복수의 선형상 스폿의 배열방향에 해당 스폿에서 미리 설정한 거리의 위치에 설치한다. 그리고 도플러 시프트가 생긴 검출용 레이저의 레이저 반사광은 광학계(미도시)에 의해 페브리 페롯 간섭계 등의 레이저 간섭계(12)에 안내되고 해당 레이저 간섭계(12) 내부에서 간섭을 일으킨다. 이때 레이저 간섭계(12)의 공진조건은 검출용 레이저의 반사광의 공진조건에서 약간 벗어나게 한다. 일시적으로 도플러 시프트된 검출용 레이저 반사광을 레이저 간섭계(12)를 투과시키면 투과한 레이저광에서는 도플러 시프트에 의한 파장 변화가 광강도의 변화로 변환된다. 이상의 초음파 검출용 레이저 광원(12)에서 출사한 검출용 레이저광을 검출점(6)에 조사하고 피 검사체(5)로부터의 레이저 반사광을 레이저 간섭계(12)에 안내하여 입사시키는 광학계 및 레이저 간섭계(12)로 검출 광학계가 구성된다.
그리고, 투과된 레이저광을 해당 레이저광의 파장에 양호한 감도를 갖는 공지의 광 검출기로 구성하는 광 검출부(미도시)에서 검지하여 전기신호로 전환함으로써 판파(W)에 의한 진동파형(이하, 판파의 파형이라고도 기록함)을 전기신호(전압파형)로 검출할 수 있다. 신호처리부(60)는 이 전기신호를 이하에서 설명하는 바와 같은 신호처리를 함으로써 원하는 측정정보를 도출할 수 있다.
신호처리부(60)는 검출한 판파(W)의 파형의 전기신호를 A/D 변환기로 디지털신호로 입력한 후 예를 들면 주파수 해석으로 FFT를 이용하여 푸리에 변환해서 각 주파수 성분의 크기의 분포를 도출한다. 해당 분포에서 피크의 주파수를 구해 피 검사체에 발생한 비대칭파 판파의 주파수를 검출한다. 이렇게 해서, 검출한 주파수와 간섭무늬의 피치(p)에서 결정되는 파장(λ)에 의해 판파의 판파속도(c)를 산출한다.
도 2의 (a)는 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치에 의해 검출한 판파의 전압신호의 시간변화 파형의 예를 나타내는 도면이다. 이 예의 측정조건은 이하와 같으며, 초음파 발생용 레이저광은 피 검사체의 현저한 용해 또는 증발이 발생하지 않는 어블레이션와 열탄성의 중간영역에서의 초음파 발생에 충분한 강도로 했다.
피 검사체(5) : 두께(d) 0.5mm × 길이(l) 50mm × 폭(w) 50mm, 피 검사체의 재질(강종, SS400)
초음파 발생용 레이저 광원 : YAG 레이저(최대 펄스 에너지 450mJ/pulse(ND 필터에서 감쇠), 펄스 폭 10ns
레이저 펄스 에너지 밀도 : 2.5mJ/mm2(어블레이션과 열탄성의 중간영역)
간섭무늬 : 피치(p) 1.0mm, 간섭무늬의 수 : 5개
발생점(간섭무늬 3번째)에서 검출점(6)의 거리 : 15mm
검출점(6)에서 피 검사체 에지의 거리 : 10mm
도 2의 (a)에 도시한 판파를 검지한 전기신호의 파형의 영역(71)에 판파에 의한 피크가 나타난다. 도 2의 (a)의 판파의 전압신호의 파형은 아날로그 신호를 A/D 변환하여 디지털 신호화해서 컴퓨터에 입력하여 디스플레이 화면상에 표시한 도면이다. 이 검출된 판파의 파장은 간섭무늬의 피치와 같은 1.0mm이다. 또한, 영역(72)에는 해당 측정에서 이용한 피 검사체(5)의 형상보다 피 검사체(5)의 에지에서 반사한 판파의 반사파이다.
도 2의 (b)는 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치에 의해 검출한 판파의 전압신호의 주파수 성분의 분포(주파수 스펙트럼)를 나타내는 도면이다. 신호처리부(60)에서 도 2(a)에 나타낸 시간 파형을 FFT 연산을 이용하여 푸리에 변환함으로써 시간 파형을 구성하는 주파수 스펙트럼을 산출할 수 있다. 도 2의 (b)의 영역(73)에 피크로 나타나있기 때문에 2.5MHz의 판파의 주파수를 검출할 수 있다. 이상의 도 2의 (a), (b)의 결과로 파장(λ)=1.0mm이고 주파수(f)가 2.5MHz이기 때문에 판파속도는 파장(λ)×주파수(ｆ)=2.5mm/μs 즉, 2.5×103 m/sec이다.
이와 같이, 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)를 이용하여 판파의 주파수 및 판파속도를 검출할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 해당 주파수 및 판파속도는 비대칭파 판파의 주파수 및 판파속도이다.
(대칭파 판파와 비대칭파 판파의 설명)
도 3을 이용하여 대칭파 판파 및 비대칭파 판파의 복수의 모드의 분산관계의 계산치의 일 예를 횡축을 주파수×피 검사체의 두께, 종축을 판파속도로 나타낸다. 여기서는 도 3에 나타낸 판파모드의 분산관계를 이용하여 도 2의 장치에서 검출한 판파가 비대칭파 판파인 것을 나타낸다.
상기 비 특허문헌 4에는 판파를 구성하는 종파 음속 및 횡파 음속을 계산하기 위한 계산식이 기재되어 있다. 상기 비 특허문헌 4에서는 비대칭파 모드의 판파(An)(n은 정수)는 하기에 나타내는 수학식 2에 따라「속도」와「진동×두께」의 관계로 나타나고, 대칭파 모드의 판파(Sn)(n은 정수)는 하기에 나타낸 수학식 3에 의해「속도」와「진동×두께」의 관계로 나타난다. 또한, 이하에서는 비대칭파(대칭파) 판파 모드를 단순히 비대칭파(대칭파) 판파라고도 적는다.
또한, 상기 비 특허문헌 4에서는 판파의 종파 음속과 횡파 음속에 의해 결정되는 포아송비(v)를 수학식 4와 같이 나타내고 있다.
Figure 112008054857999-pat00001
Figure 112008054857999-pat00002
Figure 112008054857999-pat00003
Figure 112008054857999-pat00004
여기서, VL은 종파 음속 VS는 횡파 음속을 나타낸다. 또한, ζ=2π/λ을 나타낸다.
도 3에 나타낸 실선은 각 판파의 모드의 위상속도, 파선은 각 판파의 모드의 군속도를 나타내고 각 판파의 모드에서의 실선 및 파선은 수학식 2 및 수학식 3을 풀어서 구할 수 있다.
도 2의 설명에서, 도 2를 이용하여 설명한 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치에 의한 측정결과에서는 피 검사체(5)의 두께 ｄ=0.5mm, 검출파형의 파장(λ)=1.0mm, 주파수 ｆ=2.5MHz, 판파속도 ｃ=2.5mm/㎲이고, 또한 음속ｃ=λf=(λ/d)×(fd)이고, λ/d=2.0이기 때문에 검출 파형은 ｃ=2.0fd라는 분산관계를 가지는 것을 알 수 있다.
여기서, ｃ=2.0fd의 관계식을 쇄선(74)으로 도 3상에 나타낸다. 쇄선(74)(λ/ｄ=2.0)은 비대칭파 판파(An) 중 실선으로 표시되는 A0모드와 겹친다.
한편, 도 2의 (b)에 화살표(73)로 나타낸 스펙트럼 주파수는 2.5MHz이다. 상기 실시예에서는 피 검사체(5)의 두께 ｄ=0.5mm이기 때문에 도 3에 이 검출 스펙트럼의 판파 주파수 fd=1.25(MHz·㎜)를 직선(75)으로 나타낸다. 이 직선(75)과 쇄 선(74)의 교점(76)은 A0모드의 관계선상 근방에 있기 때문에 도 2에서 나타낸 판파는 A0 모드의 비대칭파 판파인 것을 알 수 있다.
하지만, 직선(75)과 쇄선(74)의 교점(76)은 대칭파 판파모드(Sn)상에는 없다. 이 때문에 상기 실시예에서는 대칭파 판파를 검출할 수 없음을 알 수 있다.
이와 같이, 상기 비 특허문헌 4에 기재된 판파의 이론에 따르면 발생이 추인(推認)되는 대칭파 판파(Sn)는 상기 실시예에 관한 레이저 초음파 측정장치에서는 검출할 수 없는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치에 피 검사체의 판파를 레이저 초음파법에 의해 검출함으로써 비대칭파 판파 A0의 위상속도(c)는 검출할 수 있게 된다. 하지만, 상기 제1 구성배치에 의한 검출결과만으로는 검출치의 수가 부족하기 때문에 수학식 2를 풀어서 종파 음속(VS) 및 횡파 음속(VL)을 산출할 수 없다. 따라서, 상기 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)에서 검출한 비대칭파 판파의 주파수 및 위상속도만으로는 종파 음속(VS) 및 횡파 음속(VL)을 산출할 수 없음을 알 수 있다. 즉, 종파 음속(VS) 및 횡파 음속(VL)을 도출하기 위해서는 추가로 레이저 초음파 측정이 필요하다. 이하에서는 제1 구성배치와는 다른 배치에서의 레이저 초음파 측정을 설명한다.
<대칭파 판파 검출용 레이저 초음파 측정장치>
도 4의 (a)는 본 실시형태에서의 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치(10b)의 대략적인 구성을 피 검사체(5)의 측면에서 본 도면이다. 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치(10b)는 대칭파 판파를 피 검사체(5)에 발생시켜 해당 대칭파 판파를 검출하기 위한 배치이며, 대칭파 판파의 측정을 목적으로 한다.
레이저 초음파 측정장치(10a)는 비대칭파 판파를 생성하기 위해 회절격자(14)를 이용했으나 레이저 초음파 측정장치(10b)는 검출점(6)에 펄스 레이저를 조사함으로써 검출점에서 두께방향으로 진동을 반복하는 군속도 0의 상태에 있는 대칭파 판파의 검출을 행한다.
도시한 바와 같이, 레이저 초음파 측정장치(10b)는 회절격자(14)를 제외하고 상기 레이저 초음파 측정장치(10a)과 같은 구성을 갖는다. 레이저 초음파 측정장치(10b)는 회절격자(14)를 사용하지 않고 검출점(6)에 초음파 발생용의 펄스 레이저광을 직접 조사한다. 또한, 도시하지는 않았지만 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)의 초음파 발생용 레이저광의 광로에서 회절격자(14)를 바이패스하도록 이동 또는 탈착이 가능한 거울을 설치함으로써 레이저 초음파 측정장치(10a)의 제1 구성배치와 제2 구성배치를 공용할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 관한 레이저 초음파 측정장치(10b)에 의해 군속도 0의 대칭파 판파를 발생시켜 이를 검출했을 때의 전기신호의 파형을 나타내는 도면이다. 해당 측정 예에서의 측정조건은 이하와 같다.
피 검사체(5) : 두께(d) 1.7mm × 길이(l) 130mm × 폭(w) 30mm, 피 검사체(강종 SS400)
초음파 발생용 레이저 광원 : YAG 레이저(최대 펄스 에너지 450mJ/pulse(ND 필터에서 감쇄), 펄스 간격 10ns
레이저 펄스 에너지 밀도 : 1.5mJ/mm2(열탄성 영역)
초음파 검출용 레이저 광원: 500mW, 532nm
검출 레이저빔 스폿 : 직경 1mm
도 5의(a)는 초음파 발생용 레이저 광원(11)에서 펄스 레이저광을 조사하지 않았을 때 검출한 시간파형이고, 도 5의 (b)는 펄스 레이저광을 조사한 때 검출한 시간 파형을 나타낸다. 또한, 도 5의 (c)는 도5의 (a)에 나타낸 시간 파형을 푸리에 변환한 주파수 파형을 나타내고, 도 5의 (d)는 도 5의 (b)에 나타낸 시간 파형을 푸리에 변환한 주파수 파형을 나타낸다.
도 5의 (a) 및 (c)는 노이즈 파형을 나타낸 것이다. 도 5의 (d)에 나타낸 바와 같이, 펄스 레이저광의 조사에 의해 1.65MHz에서 주파수 스펙트럼(76)을 검출할 수 있다. 이 검출된 스펙트럼은 시간 파형에서는 식별할 수 없는 대칭 파형을 구성하는 주파수 성분이다.
이와 같이, 레이저 초음파 측정장치(10b)는 시간 파형(b)만으로는 확인할 수는 없으나 주파수 분석을 함으로써 Sn 모드(대칭파 판파)의 공진 주파수를 검출할 수 있다.
도 3을 참조하면, 75에 나타낸 바와 같이 군속도 0에서의 최소 주파수는 S1 모드이다. 이에 의해 검출한 공진 주파수는 S1 모드의 군속도 0의 주파수인 것을 알 수 있다.
도 6은 수학식 3을 연산하여 구한 S1 모드의 판파속도와 주파수의 관계를 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 군속도 0(위상속도 ∞)일 때 산출된 주파수는 1.64MHz가 되고, 상기 도 5의 (d)에 나타낸 검출된 스펙트럼과 대응하는 것을 알 수 있다.
도 3 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 군속도가 영이 될 때 위상속도는 ∞에 점점 가까워진다.
이 때문에 S1 모드의 위상속도를 ∞로 하지 않고 예를 들면 8,000m/s와 근사하게 S1모드에서의 검출주파수와 위상속도의 특정치를 얻을 수 있다.
이상에서 레이저 초음파 측정장치(10a)에서는 비대칭파 판파의 위상속도(c)를 검출할 수 있다. 또한, 레이저 초음파 측정장치(10b)에서는 대칭 주파수의 위상속도(c)를 검출할 수 있다. 상기 수학식 2 및 3에서 2개의 조작변수인 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS) 이외의 모든 변수의 수치를 검출함으로써 특정할 수 있기 때문에 수학식 2 및 수학식 3을 수치분석함으로써 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS)을 산출할 수 있게 된다.
<종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS) 의 수치해석 예>
도 7 및 도 8을 이용하여 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS)의 수치해석 예를 나타낸다.
도 7은 비대칭파 판파의 수학식 2를 이용하여 산출한 A0 모드파의 주파수와 위상속도의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 시뮬레이션한 케이스는 이하의 4개의 케이스이다.
케이스 1(실선) : VL=5200m/s ν=0.29
케이스 2(쇄선) : VL=5000m/s ν=0.29
케이스 3(일점쇄선) : VL=4800m/s ν=0.29
케이스 4(점선) : VL=5000m/s ν=0.324
도시된 바와 같이, 종파 음속과 횡파 음속을 조작변수로 위상속도와 주파수를 구함으로써 A0 모드파를 시뮬레이션할 수 있다.
도 8은 대칭파 판파의 수학식 3을 이용하여 산출한 S1 모드파(군속도 0)의 주파수와 위상속도의 관계를 나타낸다. 검토한 케이스는 상기한 4개의 케이스와 같은 케이스이다. 파선(77)으로 둘러싼 영역이 군속도 0에 상당하는 판파속도인 8,000m/s 및 검출 주파수가 존재하는 영역이 된다.
도 7에 나타낸 케이스 중 검출치와 이론치의 오차가 최소인 케이스를 선정하고, 다음으로 도 7에서 선정한 케이스가 도 8에서도 검출치와 이론치의 오차가 최소가 되는지 아닌지를 판단함으로써 판파의 종파 음속와 횡파 음속을 특정할 수 있다.
이와 같이 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS)의 수치해석 예로 미리 이론치에 따라 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS)별 복수의 케이스를 준비하고 검출치와의 오차가 일정치 미만이 되는 케이스를 특정함으로써 판파의 종파 음속과 횡파 음속을 특정할 수 있다.
도 9는 종파 및 횡파 음속의 산출처리를 나타내는 흐름도이다.
우선, 레이저 초음파 측정장치(10a)의 형태에서 신호처리부(60)는 검출광에서 얻은 시간 파형을 푸리에 변환하여 판파 A0 모드의 판파 주파수 A0-f(r)(MHz) 및 주파수에서 판파 A0 모드의 판파 위상속도 A0-v(r)(m/s)를 산출한다(단계 S101).
레이저 초음파 측정장치(10b)의 형태에서 신호처리부(60)는 검출광에서 얻은 시간 파형을 푸리에 변환하여 판파 S1 모드에서의 판파의 주파수 S1-f(r)(MHz)를 산출한다(단계 S102).
신호처리부(60)에는 입력 파라미터로 피 검사체(5)의 두께 d(mm), 산출한 주 파수 A0-f(ｒ)(MHz), 위상속도 A0-v(r)(m/s), 주파수 S1-f(r)(MHz)가 입력된다(단계 S103).
또한, 신호처리부(60)에는 임의의 계산 파라미터로 종파속도(VL), 횡파속도(VS)의 계산 개시속도, 종료속도, 계산단계(ΔVL 및 ΔVS)이 입력된다(단계 S104).
신호처리부(60)는 수학식 2 및 수학식 3에 나타낸 이론식에 따라 계산 파라미터에 의해 결정되는 종파속도(VL) 및 횡파속도(VS)로부터 산출되는 A0모드의 주파수 A0-f(ｐ)(MHz), 위상속도 A0-f(p)(m/s) 및 S1 모드의 주파수 S1-f(ｐ)(MHz)를 산출한다(단계 S105).
다음으로 단계 S105에서 구한 이론치(주파수 A0-f(p), 위상속도 A0-f(p) 및 주파수 S1-f(ｐ))와 단계 S101 및 S102에서 산출된 검출치(주파수 A0-f(ｒ), 위상속도 A0-v(r) 및 주파수 S1-f(r))와의 오차를 각각 계산한다(단계 S106).
오차가 역치이내에 없는 경우(단계 S107)는 계산단계(ΔVL 및 ΔVS)분 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS)을 각각 증가시켜(단계 S108) 다시 단계 S104 및 S105를 반복한다.
오차가 역치 이내에 있는 경우(단계 S107)는 그때의 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS)을 해석치로 설정하여 계산을 종료한다.
도 10은 본 발명에 관한 레이저 초음파 측정장치(10c)의 전체도면이다.
초음파 발생용 레이저 광원(11)은 피 검사체(5)에 초음파를 발생시키기 위해 고출력 펄스 레이저광(EL)을 거울(31a, 31b)을 통해 피 검사체(5)에 조사한다. 펄스 레이저광(EL)은 실린드리컬 렌즈(43)에서 단면형상이 선형상의 빔(선형상빔)으로 한 후 회절격자(14)에 의해 회절되어 피 검사체(5)에 복수의 선형상 스폿으로 조사된다.
또한, 펄스 레이저(EL)는 거울 구동부(15)에 의해 거울(31b)을 퇴피시킴으로서 펄스 레이저(EL)를 거울(31c)을 통해 피 검사체(5)에 점형상 스폿으로 직접 조사한다.
피 검사체(5)의 펄스 레이저광(EL)이 조사되는 부분은 열팽창한 후 수축하여 뒤틀림이 발생하고 피 검사체(5)에 초음파가 전파한다. 전자의 복수의 선형상 스폿에 의해 발생하는 초음파는 판 형태의 피 검출재가 판파로 전파한다.
초음파 검출용 레이저 광원(12)로부터는 연속파 레이저광(DL)이 렌즈(42) 거울(41a, 41b)를 통해 도 1의 (a)나 도 4에 나타낸 바와 같은 펄스 레이저광(EL)에 의해 선형상 스폿과 소정의 위치관계에 있는 피 검사체(5)의 검출부(6)에 조사된다.
연속파 레이저광(DL)은 피 검사체(5) 상의 계측점에 조사된다. 피 검사체(5)로부터의 레이저광(DL)의 레이저 반사광(RL)의 주파수는 표면진동에 의해 도플러 시프트를 받는다. 초음파 검출용 레이저광원(12)으로는 레이저 반사광(RL)은 거울(41c, 41d)을 통해 렌즈(43)에 의해 집속되어 FP 간섭계(13)에 입사한다.
FP 간섭계(13)는 입사한 레이저광을 거울 13a와 13b 사이에서 왕복시켜 간섭(공진)시키고 뒤쪽 거울(13b)에서 일부 광량을 투과시킨다. FP 간섭계(13)를 투과하는 레이저광의 스펙트럼은 매우 좁은 파장역에 급격한 피트와 양측의 슬로프로 구성된다. 상기 거울 13a와 13b의 간격을 레이저광의 파장의 공진조건에서 약간 벗어나게 하고 레이저광의 파장이 해당 슬로프의 파장역에 위치하도록 설정하여 둔다. 이때 레이저 반사광의 도플러 시프트는 FP 간섭계(13)를 투과할 때 광 강도 변화로 변환된다. 그리고, FP 간섭계(13)를 투과한 광은 애벌런치 포토 다이오드 등으로 이루어진 고속 응답이 가능한 광 검출기(20)에 입사한다. 광 검출기(20)에서는 투과광의 광강도는 전기신호(S1)로 변환되어 신호처리부(60)에 입력한다.
신호처리부(60)에서는 비대칭파 판파의 주파수 산출부(61)는 도9의 단계S101에서 설명한 처리를 실행할 수 있다. 대칭파 판파 주파수 산출부(62)는 도9의 단계S102에서 설명한 처리를 실행할 수 있다. 종파 횡파 음속 산출부(63)는 도 9의 단계 S108에서 설명한 처리를 실행할 수 있다.
신호처리부(60)는 프로세서로 구성되며 또한 상기 산출부(61~63)는 프로세서가 도시되지 않은 메모리에 격납된 프로그램을 실행함으로써 실장해도 된다. 상기 산출부의 산출결과는 표시장치(19)에 출력할 수 있다.
제어부(50)는 신호처리부(60)의 지시를 받아 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)에서 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치(10b)로의 형태변경 또는 그와 반대의 형태변경을 하기 위해 거울 구동부(15)를 제어한다. 또한, 발진제어부(18)를 제어하여 초음파 발생용 레이저 광원(11)의 레이저 조사 타이밍을 제어 할 수 있다. 제어부(50)는 전자회로 등으로 실장할 수 있다.
상기와 같이 본 실시형태에 관한 레이저 초음파 측정장치 및 그 방법은 피 검출재의 표면의 손상을 경감하는 레이저 펄스 에너지 밀도가 낮은 레이저광에 의해 종파 및 횡파의 음속 측정을 비파괴, 비접속 나아가 고 정밀도로 행할 수 있다. 이 때문에 피 검사체는 열탄성 변화영역에서의 레이저 사용으로 손상을 경감할 수 있다.
또한, 본 발명은 이러한 약한 펄스 레이저의 사용에만 한정되는 것이 아니며 어블레이션과 열탄성 변화영역의 공존영역 어블레이션 영역에도 적용이 가능하다.
도 1은 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치의 개요를 설명하는 도면이다.
도 2는 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치에 의해 검출한 비대칭파 판파를 나타내는 도면이다.
도 3은 대칭파 판파 및 비대칭파 판파의 복수의 모드의 분산관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치의 개요를 설명하는 도면이다.
도 5는 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치에 의한 검출한 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 S1 모드의 판파속도와 주파수의 관계를 설명하는 도면이다.
도 7은 비대칭파 판파식을 이용하여 산출한 A0 모드파의 주파수와 위상속도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 대칭파 판파식을 이용하여 산출한 S1 모드파의 주파수와 위상속도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 종파 및 횡파 음속의 산출처리를 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명에 관한 레이저 초음파 측정장치의 전체 도면이다.
도 11은 레이저 초음파법 측정원리에 대해 설명하는 도면이다.
도 12는 레이저광 조사에 의한 초음파의 두 종류의 발생원리를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 레이저 초음파 측정장치
5 : 피 검사체
6 : 검출점
11 : 초음파 발생용 레이저 광원
12 : 초음파 검출용 레이저 광원
13 : 페브리 페롯 간섭계
15 : 거울 구동부
18 : 발진제어부
19 : 표시장치
20 : 광 검출부
50 : 제어부
60 : 신호처리부
61 : 비대칭파 판파의 주파수 산출부
62 : 대칭파 판파 주파수 산출부
63 : 종파 횡파 음속 산출부

Claims (4)

  1. 피 검사체에 초음파 발생용 레이저 광원에 의해 펄스 레이저광을 조사하여 초음파를 발생시켜 초음파 검출용 레이저 광원에 의해 연속파 레이저광을 해당 피 검사체에 조사하여 그 레이저 반사광을 간섭계에서 간섭을 일으켜서 상기 초음파에 의한 도플러 시프트에 의한 광 강도 변화를 검지하여 상기 피 검사체 내를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 초음파 측정장치이며,
    상기 펄스 레이저광을 단면형상이 선형상의 빔으로 변환한 후에 상기 피 검사체 상에 회절격자로 복수의 선형상 스폿의 간섭무늬를 생성하여 조사하는 제1 조사광학계와,
    상기 펄스 레이저광을 상기 피 검사체 상에 점형상 스폿으로 집광 및 조사하는 제2 조사광학계와,
    상기 제1 조사광학계에 의해 생성한 복수의 선형상 스폿에 의해 발생되어 피 검사체 내를 이 선형상 스폿의 배열 방향으로 전파한 판파 초음파 및 상기 점형상 스폿에 의해 발생하여 피 검사체 두께방향에 전파한 판파를 각각 검출하기 위해 상기 연속파 레이저광을 피 검사체 상의 소정의 검사점에 집광 및 조사하여 그 레이저 반사광을 상기 간섭계에 입사시켜 간섭을 일으키는 검출광학계와,
    상기 간섭계를 투과한 레이저광을 수광하여 광 강도 변화를 전기신호로 출력하는 광 검출부와,
    상기 광 검출부에서 출력된 전기신호가 입력되어 피 검사체의 음속을 도출하는 신호처리부를 구비하고,
    상기 신호처리부는,
    상기 제1 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 비대칭파 판파의 주파수를 산출하는 비대칭파 판파의 주파수 산출부와,
    상기 제2 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 대칭파 판파 주파수를 산출하는 대칭파 판파 주파수 산출부와,
    상기 비대칭파 판파의 주파수 및 상기 대칭파 판파의 주파수에 기초하여 소정의 식을 이용하여 횡파 음속 및 종파 음속을 산출하는 횡파 종파 음속 산출부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비대칭파 판파의 주파수 산출부는 상기 제1 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 비대칭파 판파의 주파수를 도출하고 해당 비대칭파 판파의 주파수와 상기 복수의 선형상 스폿의 피치로부터 비대칭 판파의 위상속도를 산출하는 것이며,
    대칭파 판파 주파수 산출부는 상기 제2 조사광학계에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 대칭파 판파의 공진주파수를 도출하는 것이며,
    상기 횡파 종파 음속 산출부는 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 위상속도 및 상기 대칭파 판파의 공진 주파수를 이용하여 소정의 초음파 전파 이론식에 기초하여 반복 연산을 실시하여 횡파 음속 및 종파 음속을 도출하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 측정장치.
  3. 피 검사체에 초음파 발생용 레이저 광원에 의해 펄스 레이저광을 조사하여 초음파를 발생시키고 초음파 검출용 레이저 광원에 의해 연속파 레이저광을 해당 피 검사체에 조사하여 그 레이저 반사광을 간섭계에서 간섭을 일으켜서 상기 초음파에 의한 도플러 시프트에 의한 광 강도 변화를 검지하여 상기 피 검사체 내를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 초음파 측정장치를 이용한 레이저 초음파 측정방법이며,
    상기 펄스 레이저광을 단면형상이 선형상의 빔으로 변환한 후에 상기 피 검사체 상에 회절격자로 복수의 선형상 스폿의 간섭무늬를 생성하여 조사하는 제1 레이저광 조사공정과,
    상기 펄스 레이저광을 상기 피 검사체 상에 점형상 스폿으로 집광 및 조사하는 제2 레이저광 조사공정과,
    상기 제1 레이저광 조사공정에 의해 생성한 복수의 선형상 스폿에 의해 발생되어 피 검사체 내를 이 선형상 스폿의 배열방향에 전파한 판파 초음파 및 상기 점형상 스폿에 의해 발생하여 피 검사체의 두께방향에 전파한 판파 초음파를 각각 검출하기 위해 상기 연속파 레이저광을 피 검사체 상의 소정의 검사점에 집광·조사하여 그 레이저 반사광을 상기 간섭계에 입사시켜 간섭을 일으키는 초음파 검출공정과,
    상기 간섭계를 투과한 레이저광을 수광하여 광 강도 변화를 전기신호로 출력하는 광 검출공정과,
    상기 광 검출공정에서 출력된 전기신호가 입력되어 피 검사체의 음속을 도출하는 신호처리공정을 구비하고,
    상기 신호처리공정은,
    상기 제1 레이저광 조사공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 비대칭파 판파의 주파수를 산출하는 비대칭파 판파의 주파수 산출공정과,
    상기 제2 레이저광 조사공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 대칭파 판파 주파수를 산출하는 대칭파 판파 주파수 산출공정과,
    상기 비대칭파 판파의 주파수 및 상기 대칭파 판파 주파수에 기초하여 소정의 식을 이용하여 횡파 음속 및 종파 음속을 산출하는 횡파 종파 음속 산출공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 측정방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비대칭파 판파의 주파수 산출공정은 상기 제1 레이저광 조사공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 비대칭파 판파의 주파수를 도출하고 해당 비대칭파 판파의 주파수와 상기 복수의 선형상 스폿의 피치로부터 비대칭 판파의 위상속도를 산출하고,
    상기 종파 음속 산출공정은 상기 제2 레이저광 조사공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 대칭파 판파의 공진 주파수를 도출하고,
    상기 횡파 종파 음속 산출공정은 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 위상속도 및 상기 대칭파 판파의 공진 주파수를 이용하여 소정의 초음파 전파 이론식에 기초하여 반복 연산하여 횡파 음속 및 종파 음속을 도출하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 측정방법.
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