KR101094011B1 - 초음파 가진방법 및 이를 이용한 초음파 가진장치 - Google Patents

Abstract

고주파용 초음파 발진기를 사용하여 저주파를 발진할 수 있는 초음파 가진방법 및 이를 이용한 가진장치가 개시된다. 본 발명에 따른 초음파 가진방법은 대상 구조물에 복수개의 초음파 발진기를 부착하여 초음파를 발진시켜 맥놀이 현상을 일으켜서, 상기 초음파 발진기의 주파수보다 낮은 주파수를 추출하여 상기 대상 구조물의 물성치를 측정한다. 이에 따라, 고주파용 초음파 센서를 복수개 사용하여 저주파를 발진할 수 있어서, 비교적 크기가 작은 고주파용 초음파 센서를 사용함으로서, 평판이나 배관 등뿐만 아니라, 형상에 상관없이 자유롭게 적용하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 가속도 영역의 특정한 주파수로 가진할 수 있기 때문에, 신호대 잡음비가 좋지 않은 영역에서도 적용이 가능하다.

초음파 가진방법, 맥놀이 현상, 물성치 측정

Description

초음파 가진방법 및 이를 이용한 초음파 가진장치{UNTRASONIC GENERATING METHOD AND UNTRASONIC GENERATING DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 초음파 가진방법 및 이를 이용한 초음파 가진장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 고주파용 초음파 센서를 복수개 사용하여 저주파를 발진할 수 있어서, 비교적 크기가 작은 고주파용 초음파 센서를 사용함으로서, 평판이나 배관 등 형상에 상관없이 자유롭게 적용하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 가속도 영역의 특정한 주파수로 가진할 수 있기 때문에, 신호대 잡음비가 좋지 않은 영역에서도 적용이 가능한 초음파 가진방법 및 이를 이용한 초음파 가진장치에 관한 것이다.

도 1은 평판에서의 분산커브를 도시한 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 고주파수로 올라갈수록 많은 모드(mode)들에 의해 복잡하게 중첩이 되어진다. 하지만, 저주파 영역에서는 비대칭(asymmetry)한 a0 파만이 존재하게 되므로, 이 영역을 이용하면 배관 두께 예측, 결함탐지 및 물성치 예측 등 다양하고 많은 정보를 얻을 수 있다.

일예로, 본 출원인이 출원하여 등록된 대한민국 등록공보 10-817617호, "구조물의 두께와 물성치 검사장치, 검사방법 및 두께감소 감시방법"에 따르면, 대상 구조물에 저주파 진동파를 가진하여, 상기 구조물 표면에서 진행방향을 따라 일정 간격을 두고 설치된 한쌍의 진동파 측정유닛을 통해 지연시간에 기초한 군속도를 산출하여, 측정유닛 사이의 대상 구조물의 두께를 예측할 수 있다.

또한, 대상 구조물이 평판이나 배관, 기타 다양한 형상의 구조물도 이러한 방법으로 두께 또는 물성치를 적용할 수 있으며, 특히 원자력 발전소의 터빈 발전기 계통에 사용되는 배관에 적용하여, 배관의 두께 정보를 통해 감육 정도를 예측할 수도 있다.

하지만, 진동파의 가진은 일반적으로 초음파 센서를 이용하게 되는데, 일반적으로 저주파용 초음파 센서는 구조 특성상 크기가 크다는 단점이 있다. 따라서, 작은 구조물, 예를 들어 평판이나 배관 등에서는 적용하기 어려운 문제가 있다. 그러므로, 상대적으로 크기가 작은 고주파용 초음파 센서를 사용하여 저주파를 가진할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 시점이라고 하겠다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 고주파용 초음파 센서를 복수개 사용하여 저주파를 발진할 수 있는 초음파 센서를 이용한 가진방법 및 그 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 비교적 크기가 작은 고주파용 초음파 센서를 사용함으로서, 평판이나 배관 등의 굽힘관을 비롯하여 형상에 상관없이 자유롭게 적용하는 것이 가능한 초음파 센서를 이용한 가진방법 및 그 구조를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 가속도 영역의 특정한 주파수로 가진할 수 있기 때문에, 신호대 잡음비가 좋지 않은 영역에서도 적용이 가능한 초음파 센서를 이용한 가진방법 및 그 구조를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초음파 가진방법은 대상 구조물에 복수개의 초음파 발진기를 부착하여 초음파를 발진시켜 맥놀이 현상을 일으켜서, 상기 초음파 발진기의 주파수보다 낮은 주파수를 추출하여 상기 대상 구조물의 물성치를 측정하는 것을 특징으로 한다.

또는, 본 발명의 초음파 가진방법은 2개의 초음파 발진기를 사용하여 맥놀이 현상을 유도하여, 상기 초음파 발진기의 주파수 차이만큼을 가속도 영역에서 추출하여 대상 구조물의 물성치를 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초음파 가진장치는 대상 구조물, 상기 대상 구조물에 제1 주파수의 초음파를 가진하는 제1 초음파 발진기, 및 상기 대상 구조물에 상기 제1 초음파와 유사한 제2 주파수의 초음파를 가진하는 제2 초음파 발진기를 포함하며, 맥놀이 현상에 의하여 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수의 차이를 추출하여 상기 대상 구조물의 물성치를 측정하는 것을 특징으로 한다.

이러한 대상 구조물은 평판이나 배관, 또는 다양한 모양의 구조물이 모두 가능하며, 측정되는 상기 물성치는 두께 등 다양할 수 있다.

이에 따라, 고주파용 초음파 센서를 복수개 사용하여 저주파를 발진할 수 있어서, 비교적 크기가 작은 고주파용 초음파 센서를 사용함으로서, 평판이나 배관 등의 굽힘관을 비롯하여 형상에 상관없이 자유롭게 적용하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 가속도 영역의 특정한 주파수로 가진할 수 있기 때문에, 신호대 잡음비가 좋지 않은 영역에서도 적용이 가능하다.

따라서, 본 발명에 따르면 고주파용 초음파 센서를 복수개 사용하여 저주파를 발진할 수 있는 효과가 있다.

또한, 비교적 크기가 작은 고주파용 초음파 센서를 사용함으로서, 평판이나 배관 등의 굽힘관을 비롯하여 형상에 상관없이 자유롭게 적용하는 것이 가능하다.

또한, 가속도 영역의 특정한 주파수로 가진할 수 있기 때문에, 신호대 잡음비가 좋지 않은 영역에서도 적용이 가능한 효과가 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명 하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

근접한 주파수를 가진 2개의 사인파를 동시에 발생시키면, 맥놀이(beating) 현상이 나타남은 공지의 사실이다. 이는 두개의 파동에 의한 일종의 간섭으로 인한 현상으로서, 맥놀이에 의하여 생긴 파동은 이전 2개의 파동 주파수의 중간값을 갖는 주파수로 진행하며, 상대적으로 느린 새로운 주기로 진폭이 변화하게 된다.

보다 상세하게 설명하면, 다음과 같다. 2개의 사인파(sine wave)를 식 1 및 식 2에서 정의한다.

[식 1]

[식 2]

2개의 사인파를 동시에 발생시켜서 합하면, 식 3과 같이 유도된다.

[식 3]

　

여기서, k는 파수(wave number), w 는 주파수, t 는 시간을 나타낸다.

식 3에서 나타낸 바와 같이, 2개의 사인파를 합성하면 중심주파수는 두 주파수의 평균이 되지만, 전체적인 파의 형상은 두 주파수 차이의 반의 주기를 가지고 진동함을 알 수 있다. 즉, 2개의 사인파의 주파수를 적절히 조절한다면, 낮은 주파수로 가진시킬 수 있음을 알 수 있다.

위 사실로부터 초음파 센서는 수백 KHz의 고주파를 생성하지만, 두개의 초음파 센서를 이용하여 주파수를 적절히 조절하면, 가속도계 영역인 수 KHz의 사인파를 발생시킬 수 있음을 암시하는 것이다.

이러한 방법을 검증하기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다. 도 2는 본 발명에 따른 초음파 가진방법을 평판에 적용한 실험장치의 개략도이다.

2개의 고주파를 가진하는 초음파 발진기의 맥놀이 현상을 이용하여 저주파가 가진됨을 확인하기 위하여, 본 실험에서는 평판(10)에 2개의 고주파 초음파 발진기(110, 120)를 장착하여 각각 400kHz와 430kHz의 사인파를 가진하였다. 초음파 발진기(110, 120)는 각각 발진장치(function generator, 130)에 연결되어 있다. 측정점에서는 초음파 센서(150)와 가속도계(140)를 같은 위치에 설치하여 신호를 취득하였다. 초음파 센서(150)와 가속도계(140)는 각각 신호를 취득하기 위한 데이터 취득 모듈(160, 170)이 연결되어 있다. 초음파 발진기(110, 120)와 초음파 센서(150) 및 가속도계(140) 사이의 거리(L)는 본 실험에서는 0.1m로 하여 실험을 수행하였다.

이러한 결과를 도 3내지 도 5에 도시하였다. 도 3은 평판에서 측정점에서의 가속도 신호와 초음파 신호를 도시한 그래프이며, 도 4는 초음파 신호의 스펙트럼을 도시한 그래프이며, 도 5는 가속도 신호의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 400kHz, 430kHz로 비슷한 주파수의 고주파 신호는 맥놀이 현상이 발생함을 확인할 수 있으며, 식 3을 참조하면, 중심주파수는 415kHz를 가지며, 두 주파수 크기의 차이의 절반의 주기를 가지고 진동함을 확인할 수 있다.

도 4에 의하면, 초음파는 400kHz와 430kHz의 고주파수를 발생시키지만, 도 5에 의하면, 가속계의 신호는 두 주파수의 차이에 해당하는 30kHz만을 검출되고 있음을 알 수 있다. 즉, 이와 같은 실험을 통하여, 평판에서 2개의 고주파를 가진하는 초음파 센서를 이용하여 맥놀이 현상을 발생시켜 가속도 영역에서 저주파 신호를 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.

다음, 본 발명에 따른 가진방법이 배관에도 적용이 되는지에 관하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 도 6은 본 발명에 따른 초음파 가진방법을 배관에 적용한 실험장치의 개략도이다.

평판 실험과 동일하게 실험을 수행하였으며, 도 2와 동일한 장치는 도 6에서 동일한 도면부호를 부여하였으며, 설명의 간략화를 위하여 생략하기로 한다. 다만, 배관(20)에 적용되는 실험에서는 각 초음파 센서의 가진주파수는 300kHz와 308kHz로 하였다.

배관에 적용한 실험 결과를 도 7 및 도 8에 도시하였다. 도 7은 배관에서 측정점에서의 가속도 신호와 초음파 신호를 도시한 그래프이며, 도 8은 초음파 신호 및 가속도 신호의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 7 에 도시된 바와 같이, 300kHz, 308kHz로 비슷한 주파수의 고주파 신호는 맥놀이 현상이 발생함을 확인할 수 있으며, 도 8에서 300kHz, 308kHz라 도시된 부분은 초음파 신호를, 8kHz라 도시된 부분은 가속도 신호를 나타낸다. 즉, 두 고주파의 차이만큼인 8kHz만을 가속도 영역에서 검출할 수 있음을 확인할 수 있다. 결론적으로 평판 실험과 마찬가지로, 유사한 주파수를 갖는 고주파수를 가진하면, 맥놀이 현상을 통해 가속도 영역에서 저주파 신호를 발생시킬 수 있음을 알 수 있다. 더욱이 본 발명에 따른 가진방법을 이용하면, 가속도 영역의 특정한 주파수로 가진할 수 있기 때문에, 신호대 잡음비가 좋지 않은 영역에서도 적용이 가능하다는 장점이 있다.

즉, 비교적 크기가 큰 저주파 발진용 초음파센서를 사용하지 않고서도, 크기가 작은 고주파 센서를 사용하여 저주파를 발진시킬 수 있어서, 평판이나 배관, 기타 다양한 형상의 구조물에 적용하여 사용할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이, 저주파 진동파를 가진하여, 구조물 표면에서 진행방향을 따라 일정 간격을 두고 설치된 한쌍의 진동파 측정유닛을 통해 지연시간에 기초한 군속도를 산출함으로써, 측정유닛 사이의 대상 구조물의 두께를 예측할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 평판에서의 분산커브를 도시한 그래프이다.

도 2는 본 발명에 따른 초음파 가진방법을 평판에 적용한 실험장치의 개략도이다.

도 3은 평판에서 측정점에서의 가속도 신호와 초음파 신호를 도시한 그래프이다.

도 4는 초음파 신호의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

도 5는 가속도 신호의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 초음파 가진방법을 배관에 적용한 실험장치의 개략도이다.

도 7은 배관에서 측정점에서의 가속도 신호와 초음파 신호를 도시한 그래프이다.

도 8은 초음파 신호 및 가속도 신호의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 ：평판 20：배관

110, 120： 초음파 발진기 130：발진장치

140：가속도계 150：초음파 센서

160, 170：데이터 취득 모듈

Claims (9)

1. 대상 구조물에 복수개의 초음파 발진기를 부착하여 초음파를 발진시켜 맥놀이 현상을 일으켜서, 상기 초음파 발진기의 주파수보다 낮은 주파수를 상기 대상 구조물에 가진시키고,

   상기 대상 구조물에 가진되는 상기 낮은 주파수의 진동파를 상기 대상 구조물에 이격되어 설치된 한 쌍의 진동파 측정유닛이 감지하여 지연시간에 기초한 군속도를 산출함으로써, 상기 대상 구조물의 두께를 포함하는 물성치를 예측하는 초음파 가진방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 대상 구조물은 평판 또는 배관 중 하나인 것을 특징으로 하는 초음파 가진방법.
3. 삭제
4. 대상 구조물;

   상기 대상 구조물에 제1 주파수의 초음파를 가진하는 제1 초음파 발진기; 및

   상기 대상 구조물에 상기 제1 초음파와 유사한 제2 주파수의 초음파를 가진하는 제2 초음파 발진기;

   를 포함하여,

   맥놀이 현상에 의하여 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수의 차이에 해당되는 저주파를 상기 대상 구조물에 가진시키고,

   상기 대상 구조물에 이격되어 설치되어, 상기 대상 구조물에 가진되는 상기 저주파의 진동파를 감지하여 지연시간에 기초한 군속도를 산출함으로써, 상기 대상 구조물의 두께를 포함하는 물성치를 예측하는 한 쌍의 진동파 측정유닛을 포함하는 초음파 가진장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 대상 구조물은 평판 또는 배관 중 하나인 것을 특징으로 하는 초음파 가진장치.
6. 삭제
7. 2개의 초음파 발진기를 사용하여 맥놀이 현상을 유도하여, 상기 2개의 초음파 발진기의 주파수 차이에 해당되는 저주파를 가속도 영역에서 대상 구조물에 가진시키고,

   상기 대상 구조물에 가진되는 상기 주파수의 진동파를 상기 대상 구조물에 이격되어 설치된 한 쌍의 진동파 측정유닛이 감지하여 지연시간에 기초한 군속도를 산출함으로써, 상기 대상 구조물의 두께를 포함하는 물성치를 예측하는 초음파 가진방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 대상 구조물은 평판 또는 배관 중 하나인 것을 특징으로 하는 초음파 가진방법.
9. 삭제

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