KR100994037B1 - Laser ultrasonic measuring device and laser ultrasonic measuring method - Google Patents
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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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser ultrasonic measuring apparatus and method for detecting ultrasonic waves generated by irradiating a laser to an object to be detected, and in particular, laser ultrasonic measuring to measure the sound velocity of longitudinal and transverse waves by reducing damage to the surface of an inspected object. An apparatus and a method thereof are provided.
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 단일 선형상 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 단일 선형상 스폿에 의해 발생하여 피 검사체 두께방향에 전파한 각각의 종파를 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 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 판파 주파수 산출부와, 상기 제2 조사광학계에 의해 발생한 종파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 종파 음속을 산출하는 종파 음속 산출부와, 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 상기 종파 음속에 기초하여 소정의 식을 이용하여 횡파 음속을 산출하는 횡파 음속 산출부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The laser ultrasonic measuring device irradiates the object under test with pulsed laser light by means of an ultrasonic wave generating laser light source, generates ultrasonic waves, and irradiates the object under test with a continuous wave laser light by means of an ultrasonic detection laser light source. A laser ultrasonic measuring device for detecting an ultrasonic wave propagated in the subject by detecting a change in light intensity due to the Doppler shift caused by the ultrasonic wave, and converting the pulsed laser light into a beam having a linear cross section. A first irradiating optical system for generating and irradiating a plurality of linear spots with interference diffraction gratings on said inspected object, and said condensing and irradiating said pulsed laser light as a single linear spot on said inspected object 2 generated by the irradiation optical system and the plurality of linear spots generated by the first irradiation optical system The continuous wave laser light is detected on the subject to detect each longitudinal wave generated by the single linear spot and the wave wave ultrasonic wave propagated in the body spot in the array direction of the linear spot. A detection optical system that collects and irradiates a predetermined inspection point and causes the laser reflected light to enter the interferometer to cause interference; a light detection unit that receives a laser beam transmitted through the interferometer and outputs a change in light intensity as an electrical signal; A signal processor for inputting an electrical signal output from the detector to derive a sound velocity of the object to be inspected, wherein the signal processor includes a frequency based on an electrical signal of light intensity change caused by the wave wave ultrasonic wave generated by the first irradiation optical system; An asymmetric wave frequency wave calculating unit for analyzing the frequency of the asymmetric wave plate wave, and the second irradiation optical system. A longitudinal wave velocity calculation unit for calculating a longitudinal sound velocity by performing a frequency analysis on the basis of the electric signal of the change in the light intensity generated by the longitudinal wave ultrasonic wave generated by the longitudinal wave ultrasonic wave; Characterized in that it consists of a transverse wave sound speed calculation unit for calculating the sound speed.
레이저, 초음파, 피 검출재, 음속, 주파수 Laser, ultrasonic, blood detection material, sound velocity, frequency
Description
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.BACKGROUND OF THE
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 안을 전파한 초음파를 검출하는 기술이다.The laser ultrasound method uses a thermal stress generated by irradiating a pulsed laser beam to a detection target material or a vaporization reaction generated by vaporization of the detection material itself near the surface to transmit an ultrasonic wave and generate a separate laser light that continuously oscillates. It is a technique of detecting an ultrasonic wave propagated in a target to be detected by receiving a displacement induced by ultrasonic waves by irradiating a receiving point and using its linearity or interfering coherence.
레이저 초음파법은 초음파를 이용하여 재료의 균열이나 내재하는 결함의 검출 또는 재료 특성의 평가를 접촉하지 않고 행할 수 있으며, 여러 종류의 재료 평가 분야로의 응용이 기대되고 있다.The laser ultrasonic method can perform the ultrasonic wave detection without contacting the crack of a material, the detection of an inherent defect, or the evaluation of a material characteristic, and is expected to apply to various field of material evaluation.
도 9를 이용하여 레이저 초음파법의 원리에 대해 설명한다.The principle of laser ultrasonication will be described with reference to FIG. 9.
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.When the laser for generating ultrasonic wave, which is a high-energy pulse laser, is irradiated to the surface of a steel, for example, a material to be detected, distortion occurs due to thermal expansion and contraction generated on the metal surface due to the impact. Then, the generated distortion propagates inside the steel by ultrasonic waves. Next, when a continuous laser light of a single frequency for ultrasonic detection is irradiated onto the metal surface, the reflected light receives a frequency change (Doppler shift) according to the surface vibration by the propagated ultrasonic waves.
여기서, V=표면변위속도, λ=레이저 파장Where V = surface displacement velocity, λ = laser wavelength
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.The measuring instrument using the laser ultrasonic method is equipped with laser interferometers, such as a Fabry-Perot interferometer. The Fabry Perot interferometer acts as a filter that resonates and transmits only a specific frequency. For example, when there are defects inside the steel, the Doppler shift amount shows a value different from that of the ordinary steel because the surface vibration is different from that of the ordinary steel. For this reason, the amount of transmitted light passing through the Fabry-Perot interferometer changes, and inspection or material evaluation of cracks and defects of the inspection material can be performed.
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 초음파검사를 할 수 있다.In the laser ultrasound method, the state of the inspection object can be observed without any contact with the inspection object as long as it is within the range of the laser light. The laser beam can be used to perform ultrasonic inspection relatively easily even on a detection material that is difficult to contact or approach by using an optical fiber or a mirror.
도 10을 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.The generation principle of the ultrasonic wave by laser light irradiation is demonstrated using FIG. (a) is a case in which ultrasonic waves are generated by ablation, which is a phenomenon in which a laser beam is irradiated to a test object to evaporate a part of the test object, and (b) is a test subject to which the laser light is irradiated to the test object. It is a case of generating ultrasonic waves by generating a thermoelastic change in the sieve.
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 및 수축을 동반하는 탄성파 발생을 발생시키지만 재료에 조사한 흔적은 생기지 않는다. 열 탄성 케이스는 재료에 손상을 주지 않지만 어블레이션 조건에 비해 열 탄성 케이스에서는 에너지 밀도 레벨(fluence level)은 2자리수 가깝게 낮기 때문에 발생하는 초음파 음압은 이 이상의 비율로 감소한다.In the ablation occurrence case, the elastic wave is generated by the evaporation reaction force, and thus traces irradiated to the material occur. On the other hand, in the thermoelastic case, generation of acoustic waves accompanied with thermal expansion and contraction due to rapid heating by a laser occurs, but no trace is irradiated to the material. The thermoelastic case does not damage the material, but compared to ablation conditions, the acoustic sound pressure level is reduced by more than two because the energy level is nearly two orders of magnitude lower in the thermoelastic case.
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.Conventional laser ultrasonication is a method used in an ablation area that damages an object and generates ultrasonic waves. This method has a strong intensity of the generated ultrasonic waves and detects the sound velocity of the longitudinal waves or the transverse waves of the ultrasonic waves. Moreover, the method of utilizing a phase transformation rate for measurement using the detected sound velocity of a longitudinal wave or a horizontal wave (following
<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[Non-Patent Document 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[Non-Patent Document 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<Non-Patent
피 검사체의 표면에 손상을 입히지 않고 초음파를 발생시키는 열탄성 영역에서는 초음파의 발생전파 방향에 따라 종파와 횡파의 크기가 다르고 초음파 전파의 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.In the thermoelastic region that generates ultrasonic waves without damaging the surface of the test object, it is difficult to measure the sound velocity of the longitudinal waves and the transverse waves because the magnitude of the longitudinal and transverse waves differs depending on the direction of propagation of the ultrasonic waves and the directivity of the ultrasonic waves. . For this reason, in the conventionally proposed method, the ablation area is used for the measurement of the longitudinal wave and the transverse wave sound velocity, and the damage to the inspected object is large.
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.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a laser ultrasonic measuring apparatus and a laser ultrasonic measuring method for reducing the damage to the surface of the target material and measuring the sound velocity of the longitudinal wave and transverse wave.
상기 과제를 해결하기 위해 제공되는 본 발명의 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법은 하기에 기재한 바와 같다.Laser ultrasonic measuring device and laser ultrasonic measuring method of the present invention provided to solve the above problems is as described below.
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 단일 선형상 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 단일 선형상 스폿에 의해 발생하여 피 검사체의 두께방향에 전 파한 각각의 종파 초음파를 각각 검출하기 위해 상기 연속파 레이저광을 피 검사체 상의 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 판파 주파수 산출부와, 상기 제2 조사광학계에 의해 발생한 종파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 하여 종파 음속을 산출하는 종파 음속 산출부와 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 상기 종파 음속에 기초하여 소정의 식을 이용하여 횡파 음속을 산출하는 횡파 음속 산출부로 이루어진 것을 특징으로 한다.The laser ultrasonic measuring apparatus of the present invention irradiates a test object with a pulsed laser light by means of a laser light source for generating an ultrasonic wave to generate ultrasonic waves, and irradiates a continuous wave laser light with the object under test by means of an ultrasonic detection laser light source. Is an ultrasonic wave measuring device which detects the ultrasonic wave propagated in the test object by detecting the change in the light intensity caused by the Doppler shift caused by the ultrasonic wave by interferometer, and the pulsed laser light as a beam having a linear cross section A first irradiating optical system for generating and irradiating a plurality of linear spots with an diffraction grating on the inspected object after conversion, and concentrating and irradiating the pulsed laser light to the inspected object in a single linear spot Generated by a second irradiation optical system and a plurality of linear spots generated by the first irradiation optical system The continuous wave laser beam for detecting the respective wave wave ultrasonic waves propagated in the specimen to the array direction of the linear spot and each longitudinal wave generated by the single linear spot and propagated in the thickness direction of the specimen. A detection optical system that collects and irradiates a predetermined inspection point on the object under test, causes the laser reflected light to enter the interferometer, causes interference, and receives a laser beam that has passed through the interferometer, and outputs a change in light intensity as an electrical signal. A detection unit and a signal processing unit for inputting an electrical signal output from the light detection unit to derive a sound velocity of the object under test, and the signal processing unit having an electrical signal of light intensity change by the plate wave ultrasonic wave generated by the first irradiation optical system. An asymmetric wave wave frequency calculating unit configured to calculate a frequency of the asymmetric wave wave by performing a frequency analysis on the basis of 2 A longitudinal wave velocity calculation unit for calculating a longitudinal wave velocity by performing a frequency analysis on the basis of an electric signal of the change in light intensity by longitudinal wave ultrasonic waves generated by the irradiation optical system, and a predetermined equation based on the frequency of the asymmetric wave plate wave and the longitudinal wave velocity. It characterized by consisting of a shear wave sound speed calculation unit for calculating the shear wave sound speed by using.
또한, 상기한 레이저 초음파 측정장치에서 비대칭파 판파 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, 상기 종파 음속 산출부는 상기 제2 조사광학계에 의해 발생한 종파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 상기 피 검사체의 판 두께 방향의 초음파의 공진 주파수를 도출하고, 해당 공진 주파수와 피 검사체의 판 두께로부터 종파 음속을 산출하는 것이며, 상기 횡파 음속 산출부는 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 위상속도 및 상기 종파 초음파의 공진 주파수 및 종파 음속을 이용하여 소정의 초음파전파의 이론식에 기초하여 반복 연산을 실시하여 횡파 음속을 도출하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the laser ultrasonic measuring apparatus, the asymmetric wave platen frequency calculating unit derives a frequency of the asymmetric wave plate wave by performing a frequency analysis on the basis of the electrical signal of the change in the light intensity by the plate wave ultrasonic wave generated by the first irradiation optical system, Calculating the phase velocity of the asymmetric plate wave from the frequency of the wave plate wave and the pitches of the plurality of linear spots, wherein the longitudinal wave sound velocity calculating unit is based on an electrical signal of light intensity change by the longitudinal wave ultrasonic wave generated by the second irradiation optical system. A frequency analysis is performed to derive the resonant frequency of the ultrasonic wave in the plate thickness direction of the inspected object, and calculate the longitudinal sound velocity from the resonant frequency and the plate thickness of the inspected object, wherein the transverse sound speed calculator calculates the frequency of the asymmetric wave plate wave. And phase velocity and resonant frequency and longitudinal sound velocity of the longitudinal ultrasonic wave. It is characterized by deriving the shear wave sound velocity by performing an iterative calculation based on the theoretical formula of the predetermined ultrasonic wave.
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 단일 선형상의 스폿으로 집광·조사하는 제2 레이저광 조사공정과, 상기 제1 레이저광 조사공정에 의해 생성한 복수의 선형상 스폿에 의해 발생되어 피 검사체 내를 해당 선형상 스폿의 배열방향에 전파한 판파 초음파 및 상기 단일 선형상 스폿에 의해 발생하고 피 검사체의 두께방향에 전파한 각각의 종파 초음파를 각각 검출하기 위해 상기 연속파 레이저광을 피 검사체 상의 소정의 검사점에 집광·조사하여 그 레이저 반사광을 상기 간섭계에 입사시켜 간섭을 일으키는 초음파 검출 공정과, 상기 간섭계를 투과한 레이저광을 수광하여 광 강도 변화를 전기신호로 출력하는 광 검출공정과, 상기 광 검출공정에서 출력된 전기신호가 입력되 어 피 검사체의 음속을 도출하는 신호처리공정을 구비하고, 상기 신호처리공정은 상기 제1 레이저광 조사공정에 의해 발생한 판파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 비대칭파 판파의 주파수를 산출하는 비대칭파 판파 주파수 산출공정과, 상기 제2 레이저광 조사공정에 의해 발생한 종파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 종파 음속을 산출하는 종파 음속 산출공정과, 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 상기 종파 음속에 기초하여 소정의 식을 이용하여 횡파 음속을 산출하는 횡파 음속 산출공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the laser ultrasonic measuring method of the present invention, an ultrasonic wave is generated by irradiating a pulsed laser light to an inspected object by a laser light source for generating an ultrasonic wave, and the continuous wave laser light is irradiated to the inspected object by the ultrasonic light source for detecting the laser beam. A laser ultrasonic measuring method using a laser ultrasonic measuring device which detects an ultrasonic wave propagated in the subject by detecting a change in light intensity due to the Doppler shift caused by the ultrasonic wave by causing interference in an interferometer, and cross-sections the pulsed laser light. A first laser light irradiation step of converting a shape into a linear beam and generating and irradiating a plurality of linear spots with a diffraction grating on the inspected object, and irradiating the pulsed laser light onto the inspected object A second laser light irradiation step of collecting and irradiating a single linear spot; and the first ray Generated by a plurality of linear spots generated by the light irradiation process and propagated in an array direction of the linear spot by the wave wave ultrasonic wave and the single linear spot and in the thickness direction of the inspected object. Ultrasonic detection step of concentrating and irradiating the continuous wave laser light to a predetermined inspection point on the object to detect each longitudinal wave ultrasonic wave propagated, and causing the laser reflected light to enter the interferometer to cause interference, and passing through the interferometer And a signal processing step of receiving a laser beam and outputting a change in light intensity as an electric signal, and a signal processing step of inputting an electric signal output from the light detection step to derive a sound velocity of the inspected object. The processing step is performed based on the frequency signal based on the electrical signal of the light intensity change by the wave wave ultrasonic wave generated by the first laser light irradiation step. Calculating the frequency of the asymmetric wave plate wave and calculating the longitudinal wave sound velocity by performing frequency analysis on the basis of an electrical signal of light intensity change caused by the longitudinal wave ultrasonic wave generated by the second laser light irradiation step. And a transverse wave sound speed calculation step of calculating a transverse sound speed using a predetermined equation based on the longitudinal wave sound speed calculation step and the frequency of the asymmetric wave plate wave and the longitudinal wave sound speed.
또한, 상기한 레이저 초음파 측정방법에서 상기 비대칭파 판파 주파수 산출 공정은 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 조사공정에 의해 발생한 종파 초음파에 의한 광 강도 변화의 전기신호에 기초하여 주파수 분석을 해서 상기 피 검사체의 판 두께 방향의 초음파의 공진 주파수를 도출하고 해당 공진 주파수와 피 검사체의 판 두께로부터 종파 음속을 산출하고 상기 횡파 음속 산출공정은 상기 비대칭파 판파의 주파수 및 위상속도 및 상기 종파 초음파의 공진 주파수 및 종파 음속을 이용하여 소정의 초음파 전파의 이론식에 기초하여 반복 연산하여 횡파 음속을 도출하는 것을 특징으로 한다.In the above-described laser ultrasonic measuring method, the asymmetric wave wave frequency calculation step may be performed based on an electrical signal of light intensity change caused by the plate wave ultrasonic wave generated by the first laser light irradiation step, thereby analyzing the frequency of the asymmetric wave wave wave. And calculating the phase velocity of the asymmetric plate wave from the frequency of the asymmetric wave plate wave and the pitches of the plurality of linear spots, and the longitudinal wave sound velocity calculating step is based on the change of the light intensity by the longitudinal wave ultrasonic wave generated by the second laser light irradiation step. The frequency analysis is performed based on the electrical signal to derive the resonant frequency of the ultrasonic wave in the plate thickness direction of the inspected object, and the longitudinal wave speed is calculated from the resonant frequency and the plate thickness of the inspected object. Frequency and phase velocity of plate wave and resonance frequency and longitudinal of longitudinal wave ultrasonic wave It is characterized by deriving the shear wave sound velocity by repeating the calculation based on the theoretical formula of the ultrasonic wave propagation using the wave sound velocity.
상기한 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법은 피 검출재의 표면의 손상을 경감하는 레이저 펄스 에너지 밀도가 낮은 레이저광에 의해 종파 및 횡파의 음속 측정을 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.In the above-mentioned laser ultrasonic measuring apparatus and laser ultrasonic measuring method, the sound velocity measurement of longitudinal waves and transverse waves can be performed with high precision by the laser beam of low laser pulse energy density which reduces the damage of the surface of a to-be-detected material. Therefore, the inspected object can be reduced by the use of a laser in the thermoelastic change region. As a result, inspection or material evaluation of cracks and defects of inspection materials with higher precision can be made non-destructive and non-connected.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 레이저 초음파 측정장치 및 레이저 초음파 측정방법을 실시하기 위한 형태를 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing the laser ultrasonic measuring apparatus and laser ultrasonic measuring method of this invention is demonstrated with reference to drawings.
비 특허문헌 4[J.D.Achenbach, "Wave propagation in elastic solids", Amsterdam, North-Holland, 1973]에 기재된 판파의 이론에서는 판파에는 각각이 복수의 모드를 가지는 대칭파 판파와 비대칭파 판파가 있다.In the theory of the plate wave described in Non-Patent Document 4 (J.D. Achenbach, "Wave propagation in elastic solids", Amsterdam, North-Holland, 1973), there are a symmetric wave and asymmetric wave wave each having a plurality of modes.
여기서, 판파는 초음파 탐상 등의 초음파 이용분야에서 주지인 초음파 전파 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).Here, the plate wave is an ultrasonic wave propagation phenomenon that is well known in the field of ultrasonic application such as ultrasonic flaw detection, and is a wave that appears to vibrate the whole plate by propagating the longitudinal wave and the transverse wave as one unit. An asymmetric wave is a wave having an asymmetric wave, and a symmetric wave is a wave having a wave of a symmetric wave (also, the relationship between the symmetric wave and the asymmetric wave wave and the longitudinal and transverse waves constituting them are described below with reference to FIG. 2 to 4).
본 실시형태에서는 비대칭파 판파측정 및 종파 음속측정 별로 적합한 레이저 초음파 측정장치를 이용하여 판파의 종파 음속 및 횡파 음속을 검출한다.In this embodiment, the longitudinal wave sound velocity and the transverse sound velocity of a plate wave are detected using the laser ultrasonic measuring apparatus suitable for asymmetric wave wave measurement and longitudinal wave velocity measurement.
<비대칭파 판파 검출용 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치><First Configuration of Laser Ultrasonic Measuring Device for Asymmetric Wave Fan Wave Detection>
도 1의 (a)는 본 실시형태에서의 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)는 비대칭파 판파의 초음파를 피 검사체(7)에 발생시켜 해당 비대칭파 판파를 검출하는 것을 목적으로 한다.FIG. 1A is a diagram showing a schematic configuration of a
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 레이저광원(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.FIG. 1B is a plan view of the inspected
회절격자(14)는 예를 들면, 투명한 유리에 가는 선형상 패턴이 다수 평행하게 설치된 것으로 여기에 조사된 레이저 빔은 각각의 선형상 패턴에 의해 회절해 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.The
발생한 판파(W)의 파장(λ)은 간섭무늬의 피치(p)와 같다. 판파(W)는 피 검 사체(5)를 피 검사체(5)의 면내 방향에서 간섭무늬의 선형상 스폿 방향과 직교하는 방향에 즉, 복수의 선형상 스폿의 배열방향에 전파하여 검출점(6)에 도달하면 초음파 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 광 강도의 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.The wavelength? Of the generated wave wave W is equal to the pitch p of the interference fringe. The wave wave W propagates the inspected
그리고, 투과 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.Then, the transmitted laser light is detected by a light detector (not shown) composed of a known photodetector having a good sensitivity to the wavelength of the laser light and converted into an electrical signal. Can also be detected as an electrical signal (voltage waveform). The
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.The
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 열 탄성의 중간영역에서의 초음파 발생에 충분한 강도로 했다.FIG. 2A is a diagram showing an example of a time-varying waveform of a voltage signal of a plate wave detected by the first configuration arrangement of the laser ultrasonic measuring apparatus. The measurement conditions of this example were as follows, and the laser beam for ultrasonic generation was made into the intensity sufficient for the ultrasonic generation in the intermediate region of ablation and thermal elasticity which does not generate remarkable dissolution or evaporation of a test subject.
피 검사체(5) : 두께(d) 0.5mm × 길이(l) 50mm × 폭(w) 50mm, 피 검사체의 재질(강종, SS400)Test object (5): thickness (d) 0.5mm × length (l) 50mm × width (w) 50mm, material of the test object (steel grade, SS400)
초음파 발생용 레이저 광원 : YAG 레이저(최대 펄스 에너지 450mJ/pulse(ND 필터에서 감쇠), 펄스 폭 10nsUltrasonic-generating laser light source: YAG laser (maximum pulse energy 450 mJ / pulse (damped by ND filter),
레이저 펄스 에너지 밀도 : 2.5mJ/mm2 (어블레이션과 열탄성의 중간영역)Laser pulse energy density: 2.5mJ / mm 2 (intermediate area between ablation and thermoelasticity)
간섭무늬 : 피치(p) 1.0mmInterference Pattern: Pitch 1.0mm
간섭무늬의 수 : 5개Number of interference fringes: 5
발생점(간섭무늬 3번째)에서 검출점(6)의 거리 : 15mmDistance of detection point (6) from occurrence point (interference pattern third): 15 mm
검출점(6)에서 피 검사체 에지의 거리 : 10mmDistance of the object edge from the detection point 6: 10 mm
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 변환해 디지털 신호화하여 컴퓨터에 입력해 디스플레이 화면상에 표시한 도이다. 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.The peak due to the plate wave appears in the
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 2의 (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)이 1.0mm이고 주파수(f)가 2.5MHz이기 때문에 판파속도는 파장(λ)×주파수(f)=2.5mm/μs 즉, 2.5×103 m/sec이다.FIG. 2B is a diagram showing the distribution (frequency spectrum) of frequency components of the voltage signal of the plate wave detected by the first configuration arrangement of the laser ultrasonic measuring apparatus. In the
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.As described above, the frequency and plate wave speed of the plate wave can be detected using the
(대칭파 판파와 비대칭파 판파의 설명)(Explanation of symmetric wave and asymmetric wave wave)
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.An example of the calculated value of the dispersion relationship between the plural modes of the symmetric wave and the asymmetric wave wave using FIG. 3 is shown by the horizontal axis as the frequency × thickness of the inspected object and the vertical axis as the wave speed. Here, it is shown that the plate wave detected by the apparatus of FIG. 2 is an asymmetric wave plate wave using the dispersion relationship of the plate wave mode shown in FIG.
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.The said
또한, 상기 비 특허문헌 4에서는 판파의 종파 음속과 횡파 음속에 의해 결정되는 포아송비(v)를 수학식 4와 같이 나타내고 있다.In addition, in the said
여기서, VL은 종파 음속 VS는 횡파 음속을 나타낸다. 또한, ζ=2π/λ을 나타낸다.Here, V L represents the longitudinal wave speed V S represents the transverse wave speed. In addition, ζ = 2π / λ.
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.The solid line shown in Fig. 3 represents the phase velocity of each mode of the wave, the broken line represents the group speed of the mode of each of the wave, and the solid line and the broken line of the mode of each of the wave can be obtained by solving the equations (2) and (3).
도 2를 이용하여 설명한 레이저 초음파 측정장치의 실시예에서는 피 검사체(5)의 두께d=0.5mm, 검출파형의 파장(λ)=1.0mm, 주파수 f=2.5MHz, 판파속도 c=2.5mm/㎲이다. 또한, c=λf=(λ/d)x(fd)이고, λ/d=2.0이기 때문에 검출파형은 c=2.0fd라는 관계를 갖는다.In the embodiment of the laser ultrasonic measuring apparatus described with reference to FIG. 2, the
여기서, c=2.0fd를 쇄선(74)으로 도 3에 나타낸다. 쇄선(74)(λ/d=2.0)은 비대칭파 판파(An) 중 실선으로 표시되는 A0 모드와 겹친다.Here, c = 2.0fd is shown by the dashed
한편, 도 2(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 주파수를 직선(75)으로 나타낸다. 이 직선(75)과 쇄선(74)의 교점(76)은 A0모드의 관계선상 근방에 있기 때문에 도 2에서 나타낸 판파는 A0모드의 비대칭파 판 파인 것을 알 수 있다.On the other hand, the spectral frequency shown by the
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.However, the
이와 같이 상기 비 특허문헌 4에 기재된 판파의 이론에서는, 발생이 추인 (推認)되는 대칭파 판파는 상기 실시예에 관한 레이저 초음파 측정장치에서는 검출할 수 없다.Thus, in the theory of the plate wave described in the said
이와 같이, 레이저 초음파 측정장치의 상기 실시예에 의해 비대칭파 판파 A0의 위상속도(c)는 판명된다. 하지만, 상기 실시예에 의한 검출결과만으로는 검출치가 부족하기 때문에 수학식 2에서의 종파 음속(VS) 및 횡파 음속(VL)을 산출할 수 없다. 따라서, 상기 레이저 초음파 측정장치(10a)에서 검출한 비대칭파 판파의 주파수 및 위상속도만으로는 종파 음속(VS) 및 횡파 음속(VL)을 산출할 수 없음을 알 수 있다.In this way, the phase velocity c of the asymmetric wave plate wave A 0 is found by the above embodiment of the laser ultrasonic measuring apparatus. However, since the detection value is insufficient only by the detection result according to the above embodiment, the longitudinal wave speed V S and the transverse wave speed V L in
<종파 음속 검출용 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치><Second arrangement of laser ultrasonic measuring device for longitudinal wave speed detection>
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 종파 초음파를 피 검사체(5)에 발생시켜 해당 종파를 검출하기 위한 배치이며, 종파의 음속측정을 목적으로 한다. 도 4의 (b)는 피 검사체(5)를 위에서 본 평면도이다. 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 레이저 초음 파 측정장치의 제2 구성배치(10b)는 상기 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)에서의 회절격자(14)를 제외하고 그외의 광학계에 관해서는 거의 같은 구성을 갖는다. 단, 레이처 초음파 측정장치의 제2 구성배치(10b)는 실린드리컬 렌즈(33)에서 초음파 발생용 레이저광을 단면형상이 선형상인 단일 선형상 빔(선형상 빔)으로 전환하고 검출점(6)의 근방에 선형상 스폿으로 조사한다. 이와 같이, 실린드리컬 렌즈(44)에 의해 제2 조사 광학계를 구성한다. 또한, 도시하지 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.4: (a) is the figure which looked at the general structure of the 2nd
도 5는 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치(10b)에 의해 피 검사체(5)의 판두께 방향에 초음파 종파를 발생시켜 피 검사체(5)의 바닥면에서 반사하여 다시 상면으로 돌아온 초음파를 검출했을 때의 전기신호의 파형을 나타내는 도면이다. 해당 측정 예에서의 측정조건은 이하와 같다.FIG. 5 illustrates ultrasonic waves generated in the plate thickness direction of the inspected
피 검사체(5) : 두께(d) 0.5mm × 길이(l) 50mm × 폭(w) 50mm, 피 검사체(강종 SS400), 물성치 종파 음속=5,820m/sTest object (5): thickness (d) 0.5mm × length (l) 50mm × width (w) 50mm, test object (steel grade SS400), physical properties longitudinal wave speed = 5,820m / s
초음파 발생용 레이저 광원 : YAG 레이저(최대 펄스 에너지 450mJ/pulse(ND필터에서 감쇄), 펄스간격 10nsUltrasonic-generating laser light source: YAG laser (maximum pulse energy 450mJ / pulse (damped by ND filter), pulse interval 10ns
레이저 펄스 에너지 밀도 : 2.0mJ/mm2(열탄성 영역)Laser pulse energy density: 2.0mJ / mm 2 (thermoelastic region)
선형상 빔 사이즈 : 1mm×0.5mmLinear beam size: 1mm × 0.5mm
검출 레이저빔 스폿 : 직경 1mmDetection laser beam spot: diameter 1mm
도 5의 (a)는 선형상 스폿의 펄스 레이저광을 조사했을 때에 검출한 전기신호의 시간 파형을 나타내고, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에 나타낸 시간 파형을 FFT에 의해 푸리에 전환한 주파수 성분의 분포 파형을 나타낸다.FIG. 5A shows a time waveform of an electrical signal detected when irradiated with a pulsed laser beam of a linear spot, and FIG. 5B shows a time waveform shown in FIG. The distribution waveform of the switched frequency component is shown.
도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 선형상 펄스 레이저광의 조사에 의해 5.82MHz에 주파수 스펙트럼 피크(75)를 검출할 수 있다.As shown in Fig. 5B, the
검출한 스펙트럼 5.82MHz는 피 검사체(5)의 높이 방향에 공진하는 주파수(즉, 공진 주파수)이고, 이 공진파 파형(λ)은 피 검사체(5)의 두께를 d로 하여 2d가 된다. 이때, 공진파 음속은 CL=λ×f이기 때문에 CL=2d×f=2×0.5mm×5.82MHz=5,820m/s가된다.The detected spectrum 5.82 MHz is a frequency (i.e., resonant frequency) resonating in the height direction of the inspected
산출한 5,820m/s는 피 검사체(5)의 물성치로 별도의 공지의 초음파 측정법에 의한 종파 음속 치와 일치한다. 이 결과에 따라 주파수 스펙트럼의 피크(75)는 공진파에 의한 피크인 것을 알 수 있다. The calculated 5,820 m / s is the physical property value of the
이상에서 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)에 의해 판파 측정으로부터 피대칭 판파의 위상속도(c)를 검출할 수 있다. 또한, 레이저 초음파 측정장치에 제2 구성배치(10b)에 의해 종파의 측정으로부터 종파 음속(VL)을 검출할 수 있 다. 이들 측정한 수치를 이용하여 상시 수학식 2에서 횡파 음속(VS) 및 이외의 모든 변수의 수치를 검출에 의해 특정할 수 있다. 수학식 2를 수치해석에 의해 풀어서 이하에서 설명하는 바와 같이 횡파 음속(VS)을 산출할 수 있다.As described above, the phase velocity c of the symmetrical plate wave can be detected from the plate wave measurement by the
<횡파 음속(VS) 의 수치해석 예>Numerical example of transverse sound velocity V S
도 6을 이용하여 횡파 음속(VS)의 수치해석 예를 나타낸다.6 shows an example of numerical analysis of the shear wave sound velocity (V S ).
도 6은 비대칭파 판파의 수학식 2를 이용하여 산출한 A0모드파의 주파수와 위상속도의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 시뮬레이션한 케이스는 이하의 4개의 케이스이다.6 shows a simulation result of the relationship between the frequency and the phase velocity of the A 0 mode wave calculated using
케이스1(실선) : VL=5200m/s ν=0.29Case 1 (solid line): V L = 5200 m / s ν = 0.29
케이스2(쇄선) : VL=5000m/s ν=0.29Case 2 (dashed line): V L = 5000m / s ν = 0.29
케이스3(일점쇄선) : VL=4800m/s ν=0.29Case 3 (single dashed line): V L = 4800 m / s ν = 0.29
케이스4(점선) : VL=5000m/s ν=0.324Case 4 (dotted line): V L = 5000m / s ν = 0.324
도시된 바와 같이, 횡파 음속을 조작변수로 수학식 2로부터 종파 음속의 계산치를 구하고 계산치와 종파속도(VL)의 검출치 5.820m/s와의 오차를 최소화하도록 제차 횡파 음속을 수정함으로써 횡파 음속을 구할 수 있다.As shown, the shear wave sound velocity is obtained by calculating the longitudinal wave velocity from
이와 같이 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS)의 수치해석 예로 미리 이론치에 따를 종파 음속(VL) 및 횡파 음속(VS)별 복수의 케이스를 준비하고 각 케이스로부터 구해지는 A0 모드의 판파 속도와 검출한 종파 음속와 수치해석의 변수로 하는 횡파 음속에 의한 판파속도와의 오차가 일정치 미만이 되는 케이스를 특정함으로써 횡파 음속을 특정할 수 있다.Thus, A 0 being denomination prepare sound speed (V L) and a transverse acoustic wave velocity (V S) Numerical Examples longitudinal speed of sound in advance to comply with a theoretical value (V L) and a transverse acoustic wave velocity (V S) a plurality of cases each of and obtained from each case The shear wave sound velocity can be specified by specifying a case where an error between the plate wave velocity in the mode and the detected wave velocity and the shear wave velocity as a variable of numerical analysis falls below a certain value.
도 7은 횡파 음속의 산출처리를 나타내는 흐름도이다.7 is a flowchart showing the calculation process of the shear wave sound velocity.
우선 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치(10a)의 형태에서 신호처리부(60)는 검출된 광에서 얻은 시간 파형을 주파수 분석(예를 들면, FFT)에 의해 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).First, in the form of the
레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치(10b)의 형태에서 신호처리부(60)는 검출광에서 얻은 시간 파형을 주파수 분석(예를 들면, FFT)에 의해 푸리에 변환하여 공진 주파수를 구한다. 이 공진 주파수를 이용하여 계측 전 또는 계측 후 입력되는 피 검사체(5)의 두께(d)(mm)를 이용하여 피 검사체(5)의 판압 종파 음속 (VL)(m/s)를 산출한다(단계 S102).In the form of the
신호처리부(60)에는 입력 파라미터로 산출한 주파수 A0-f(r)(MHz), 위상속 도A0-v(r)(m/s), 주파수 S1-f(r)(MHz)가 입력된다(단계 S103).The
또한, 신호처리부(60)에는 임의의 계산 파라미터로 횡파속도(VS)의 계산 개시 속도, 종료속도, 계산단계(ΔVS)이 입력된다(단계 S104).Further, the
신호처리부(60)는 단계 S102에서 산출한 종파 음속(VL) 및 수학식 2에 나타낸 이론식에 따라 계산 파라미터에 의해 결정되는 횡파 속도(VS)로부터 산출되는 A0모드의 판파 주파수A0-f(p)(MHz)와 판파 위상속도 A0-v(p)(m/s)를 산출한다(단계 S105).The
다음으로, 계산 파라미터를 이용하여 이론식에 의해 구해진 판파 주파수 A0-f(p)(MHz)와 판파 위상속도 A0-v(p)(m/s)와, 단계 S101 및 S102에서 산출된 판파 주파수 A0-f(r)(MHz)와 판파 위상속도 A0-v(r)(m/s)와의 오차를 각각 계산한다(단계 S106).Next, the plate wave frequency A 0 -f (p) (MHz) and plate wave phase velocity A 0 -v (p) (m / s) obtained by the theoretical formula using the calculation parameters, and the wave wave calculated in steps S101 and S102 The error between the frequency A 0 -f (r) (MHz) and the wave wave phase velocity A 0 -v (r) (m / s) is respectively calculated (step S106).
오차가 규정 역치 이내에 없는 경우(단계 S107)는 계산단계(ΔVS)분, 횡파 음속(VS)을 각각 증가시켜(단계 S108) 다시 단계 S105 및 S106을 반복한다.If the error is not within the specified threshold value (step S107) repeats the calculation steps (ΔV S) minutes, to increase the transverse acoustic wave velocity (V S), respectively (step S108), and steps S105 S106 again.
오차가 규정 역치이내에 있는 경우(단계 S107)는 그 때의 횡파 음속(VS)을 해석치로 설정하여 계산을 종료한다.If the error is within the specified threshold (step S107), the shear wave sound velocity V S at that time is set as an analysis value and the calculation is completed.
도 10은 본 발명에 관한 레이저 초음파 측정장치(10c)의 일 예의 전체도이다.10 is an overall view of an example of a laser
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.The ultrasonic
또한, 펄스 레이저광(EL)은 거울 구동부(15)에 의해 거울(31b)을 퇴피시킴으로서 펄스 레이저광(EL)을 실린드리컬 렌즈(44)에서 선형상 빔으로 한 후 거울 (31c)를 통해 피 검사체(5)에 단일 선형상 스폿으로 조사한다. In addition, the pulsed laser light EL retracts the
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 판형태의 피 검출재가 판파로 전파한다.The portion to which the pulsed laser light EL of the inspected
초음파 검출용 레이저 광원(12)로부터는 연속파 레이저광(DL)이 렌즈(42), 거울(41a, 41b)을 통해 도 1의 (a)나 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같은 펄스 레이저광(EL)에 의해 선형상 스폿과 소정의 위치관계에 있는 피 검사체(5)의 검출부(6)에 조사된다.From the
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 거 울(41c, 41d)을 통해 렌즈(43)에 의해 집속되어 FP 간섭계(13)에 입사한다.Continuous wave laser light DL is irradiated to the measurement point on the to-
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 피크와 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 고속응답이 가능한 광 검출기(20)에 입사한다. 광 검출기(20)에서는 투과된 광의 광 강도는 전기신호(S1)로 변환되어 신호처리부(60)에 입력한다.The
신호처리부(60)에서는 비대칭파 판파 주파수 산출부(61)는 도 9의 단계 S101에서 설명한 처리를 실행할 수 있다. 종파 음속 산출부(62)는 도 9의 단계 S102에서 설명한 처리를 실행할 수 있다. 횡파 음속 산출부(63)는 도 9의 단계 S103~S108에서 설명한 처리를 실행할 수 있다.In the
신호처리부(60)는 프로세서로 구성되며, 상기 산출부(61~63)는 프로세서가 도시되지 않은 메모리에 격납된 프로그램을 실행함으로써 실장해도 된다. 상기 산출부의 산출결과는 표시장치(19)에 출력할 수 있다.The
제어부(50)는 신호처리부(60)의 지시를 받아 레이저 초음파 측정장치(10a)에서 레이저 초음파 측정장치(10b)로의 형태변경 또는 그와 반대의 형태변경을 하기 위해 거울 구동부(15)를 제어한다. 또한, 발진제어부(18)를 제어하여 초음파 발생 용 레이저 광원(11)의 레이저 조사 타이밍을 제어할 수 있다. 제어부(50)는 전자회로 등으로 실장할 수 있다.The
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. As described above, the laser ultrasonic measuring apparatus and the method according to the present embodiment are capable of non-destructive, non-connected and high-precision measurement of sound waves of longitudinal and transverse waves by a laser beam having a low laser pulse energy density that reduces damage to the surface of a material to be detected. I can do it. For this reason, the inspected object can be reduced by the use of a laser in the thermoelastic change region.
또한, 본 발명은 이러한 약한 펄스 레이저의 사용에만 한정되는 것이 아니며 어블레이션과 열탄성 변화영역의 공존영역 어블레이션 영역에도 적용이 가능하다.In addition, the present invention is not limited to the use of such a weak pulse laser, but also applicable to the coexistence region ablation region of the ablation and thermoelastic change region.
도 1은 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치의 개요를 설명하는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure explaining the outline | summary of the 1st arrangement | positioning of a laser ultrasonic measuring apparatus.
도 2는 레이저 초음파 측정장치의 제1 구성배치에 의해 검출한 비대칭파 판파를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram showing an asymmetric wave plate wave detected by the first configuration arrangement of the laser ultrasonic measuring apparatus.
도 3은 대칭파 판파 및 비대칭파 판파의 복수의 모드의 분산관계를 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for describing a dispersion relationship between a plurality of modes of a symmetric wave and an asymmetric wave.
도 4는 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치의 개요를 설명하는 도면이다.It is a figure explaining the outline | summary of the 2nd structural arrangement of a laser ultrasonic measuring apparatus.
도 5는 레이저 초음파 측정장치의 제2 구성배치에 의한 검출한 파형을 나타내는 도면이다.Fig. 5 is a diagram showing a waveform detected by the second configuration arrangement of the laser ultrasonic measuring apparatus.
도 6은 비대칭파 판파식을 이용하여 산출한 A0 모드파의 주파수와 위상속도의 관계를 나타내는 도면이다.Fig. 6 is a diagram showing the relationship between the frequency and the phase velocity of the A 0 mode wave calculated using the asymmetric wave plate equation.
도 7는 횡파 음속의 산출처리를 나타내는 흐름도이다.7 is a flowchart showing the calculation process of the shear wave sound velocity.
도 8은 본 발명에 관한 레이저 초음파 측정장치의 전체 도면이다.8 is an overall view of a laser ultrasonic measuring apparatus according to the present invention.
도 9는 레이저 초음파법 측정원리에 대해 설명하는 도면이다.It is a figure explaining the laser ultrasonic measuring principle.
도 10은 레이저광 조사에 의한 초음파의 두 종류의 발생원리를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 10 is a diagram for explaining two types of generation principles of ultrasonic waves by laser light irradiation.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for main parts of the drawings>
1 : 레이저 초음파 측정장치1: Laser Ultrasonic Measuring Device
5 : 피 검사체5: test object
6 : 검출점6 detection point
11 : 초음파 발생용 레이저 광원11: laser light source for ultrasonic generation
12 : 초음파 검출용 레이저 광원12: laser light source for ultrasonic detection
13 : 페브리 페롯 간섭계13: Fabry Perot Interferometer
15 : 거울 구동부15: mirror driving unit
18 : 발진제어부18: oscillation control unit
19 : 표시장치19: display device
20 : 광 검출부20: light detector
50 : 제어부50: control unit
60 : 신호처리부60: signal processing unit
61 : 비대칭파 판파 주파수 산출부61: asymmetric wave wave frequency calculation unit
62 : 종파 음속 산출부62: longitudinal sound velocity calculation unit
63 : 횡파 음속 산출부63: shear wave sound velocity calculation unit
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