KR101257203B1 - Apparatus and method for evaluating micro damage of materials using nonlinear laser-generated surface wave - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A micro-damage diagnosing device using a non-linear laser surface waves and a micro-damage diagnosing method are provided to enable to monitor on a real time basis in industrial field in which safety management levels with respect to structures and materials are high. CONSTITUTION: A micro-damage diagnosing device(100) using a non-linear laser surface waves comprises a surface wave exciting unit(110) and a signal analysis unit(120). The surface wave exciting unit makes the surface waves incident to an object through a slit mask(116). The signal analysis unit receives signals from the object, thereby analyzing the frequencies. The slit mask is formed so that a double frequency component included in the surface waves is minimized.

Description

비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치 및 방법 {Apparatus and Method for Evaluating Micro Damage of Materials using Nonlinear Laser-generated Surface Wave}Apparatus and Method for Evaluating Micro Damage of Materials using Nonlinear Laser-generated Surface Wave}

비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치 및 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 레이저 표면파에 본질적으로 포함된 비선형 특성에 의한 2배 주파수 성분을 최소화하고 재료의 비선형 특성에 의해 발생되는 2배 주파수 성분만을 검출할 수 있는 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치 및 방법이 개시된다.
Disclosed is a microdamage diagnosis apparatus and method using a nonlinear laser surface wave. More specifically, the micro-damage diagnosis apparatus using the nonlinear laser surface wave capable of minimizing the double frequency components caused by the nonlinear characteristics inherently included in the laser surface waves and detecting only the double frequency components generated by the nonlinear characteristics of the material. The method is disclosed.

비선형 초음파 기술은 재료의 열화, 즉 응력, 피로, 열, 부식 등의 환경의 영향으로 인한 재료 내부의 잠재 결함(전위, 석출물, 재료의 미시 구조적 변화 등) 발생과 이에 따른 재료의 수명예측, 재료의 물성 특성 측정 기술에 적용된다. 이를 위하여 초음파의 비선형성을 나타내는 비선형성 파라미터(β)를 정의하고, 이 비선형 파라미터는 측정된 신호의 기본 주파수 성분의 크기(A1)와 2배 주파수 성분의 크기(A2)를 계산함으로써 나타내어진다.Nonlinear ultrasonic technology is a material deterioration, that is, the occurrence of potential defects (potential, precipitates, microstructural changes of the material, etc.) inside the material due to environmental influences such as stress, fatigue, heat, corrosion, etc. Applied to the measurement of physical property characteristics. For this purpose, we define a nonlinearity parameter β representing the nonlinearity of the ultrasonic wave, which is represented by calculating the magnitude (A 1 ) and the magnitude (A 2 ) of the fundamental frequency component of the measured signal. Lose.

이 음향 비선형 특성을 이용하기 위하여 종래에는 대체적으로 접촉식 탐촉자를 이용한 투과 종파를 이용하여 측정하였으나, 커플런트의 영향 및 탐촉자의 접촉력의 영향, 노이즈, 피검사체 양쪽 면으로의 접근의 필요성 등으로 인한 현장 적용성의 한계를 가졌다.In order to use this acoustic nonlinear characteristic, conventionally, the measurement was performed by using a transmission longitudinal wave using a contact probe. Has limited field applicability.

따라서 표면파를 이용한 비선형 특성 계측에 관한 연구가 이루어졌으며, 표면파는 피검사체 한쪽 면의 수 파장 깊이 이내로 전파하는 파동으로 피검사체의 한쪽 면만 필요하므로 배관 검사와 같은 현장에서 적용성이 우수하며, 멀리 전파하고, 또한 표면에 에너지 집중으로 인하여 표면 손상에 대한 강한 비선형성을 드러낸다는 점에서 효과적이다.Therefore, research on nonlinear characteristic measurement using surface waves has been conducted. Surface waves are waves that propagate within a few wavelengths of one side of an inspected object, so only one side of the inspected object is required. It is also effective in exposing strong nonlinearity to surface damage due to energy concentration on the surface.

그러나, 이 또한 접촉식 탐촉자를 이용하여 표면파를 발생시키기 위한 웨지, 커플런트, 접촉력의 영향은 음향 비선형 특성 계측에 한계가 있다. However, the influence of the wedge, the coupler, and the contact force for generating the surface wave using the contact transducer is limited to the measurement of the acoustic nonlinear characteristics.

이를 극복하기 위한 방법으로 비접촉식(non-contact) 방식인 레이저 표면파 발생 기술이 연구되었다. 비접촉식 방식인 레이저 표면파 기술은 탐촉자를 이용하지 않으므로 커플런트를 필요로 하지 않고, 탐촉자의 접촉력의 영향을 제거할 수 있으며, 신속한 검사가 가능하므로 자동화 검사, 상시 감시 장치에 효과적이다. In order to overcome this problem, a non-contact laser surface wave generation technology has been studied. The non-contact laser surface wave technology does not require a transducer, eliminating the need for a coherent, eliminating the influence of the transducer's contact force, and enabling rapid inspection, which is effective for automated inspection and constant monitoring.

그러나, 레이저 여기 표면파는 레이저와 재료의 열탄성 효과에 의해 발생하는 것으로 주파수 분석에 유리한 협대역 신호를 만들기 위해 슬릿 마스크를 이용한 선배열 레이저빔을 이용하게 되는데, 이 때에 주파수 특성상 본질적으로 고조파 성분이 존재한다. 본질적으로 존재하는 고조파 성분과 음향 비선형 특성에 의해 나타나는 고조파 성분 서로 간의 중첩에 의하여 기본 성분과 고조파 성분의 크기를 비교하는 음향 비선형 특성 계측에 있어서 어려움이 있으며, 측정된 음향 비선형 특성 결과 또한 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있다.However, the laser excitation surface wave is caused by the thermoelastic effect of the laser and the material, and the linear array laser beam using the slit mask is used to make a narrow band signal which is advantageous for the frequency analysis. exist. It is difficult to measure the acoustic nonlinear characteristics comparing the magnitudes of the fundamental and harmonic components due to the overlap between the harmonic components inherent by the existing harmonic components and the acoustic nonlinear characteristics, and the measured acoustic nonlinear characteristic results are also less reliable. There is a problem.

본 발명의 실시예에 따른 목적은, 레이저를 이용한 협대역 표면파 발생시 본질적인 고조파 성분을 제어하기 위해 슬릿 마스크 배열 간격을 결정하고 주파수 특성을 예측할 수 있는 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an apparatus and method for diagnosing microdamage using nonlinear laser surface waves capable of determining slit mask array spacing and predicting frequency characteristics in order to control the harmonic components inherent in narrowband surface wave generation using a laser. It is.

본 발명의 실시예에 따른 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치는, 슬릿 마스크를 통해 피검사체로 표면파를 입사시키는 표면파 가진부 및 상기 피검사체로부터의 표면파를 수신하여 주파수를 분석하는 신호 분석부를 포함하고, 상기 슬릿 마스크는 표면파에 포함된 2배 주파수 성분이 최소화되도록 형성될 수 있다.An apparatus for diagnosing microdamage using nonlinear laser surface waves according to an embodiment of the present invention includes a surface wave excitation portion for injecting surface waves into a test object through a slit mask, and a signal analyzer for receiving a surface wave from the test object and analyzing a frequency thereof. In addition, the slit mask may be formed to minimize the double frequency components included in the surface wave.

바람직하게, 상기 상기 슬릿 마스크의 슬릿 열림 폭(w)과 슬릿 간격(d)의 비는 상기 표면파에 포함된 2배 주파수 성분이 최소화되도록 형성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 표면파에 포함된 2배 주파수 성분은 0이 되도록 결정될 수 있다.Preferably, the ratio of the slit opening width w and the slit spacing d of the slit mask may be formed to minimize the double frequency components included in the surface wave, and more preferably, 2 included in the surface wave. The double frequency component may be determined to be zero.

상기 표면파 가진부는 피검사체와 비접촉하는 레이저 소스를 포함하고, 상기 레이저소스를 포함하고, 상기 슬릿 마스크는 상기 레이저소스와 피검사체 사이에 배치될 수 있다.The surface wave excitation part may include a laser source that is in contact with the object under test, and includes the laser source, and the slit mask may be disposed between the laser source and the object under test.

본 발명의 실시예에 따른 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 방법은, 슬릿 마스크를 통한 비선형 레이저 표면파를 이용하여 결함을 탐지할 수 있으며, 상기 비선형 레이저 표면파의 주파수는 비선형 레이저 표면파의 기본 주파수 성분, 피검사체의 비선형성에 의한 주파수 성분 및 비선형 레이저 표면파에 포함된 2배 주파수 성분을 포함하고, 상기 비선형 레이저 표면파에 포함된 2배 주파수 성분은 최소화되도록 설정될 수 있다.In the micro-damage diagnostic method using the nonlinear laser surface wave according to the embodiment of the present invention, the defect may be detected by using the nonlinear laser surface wave through the slit mask, and the frequency of the nonlinear laser surface wave is the fundamental frequency component of the nonlinear laser surface wave, The frequency component due to the nonlinearity of the subject and the double frequency component included in the nonlinear laser surface wave may be set, and the double frequency component included in the nonlinear laser surface wave may be set to be minimized.

상기 비선형 레이저 표면파에 포함된 2배 주파수 성분은 기본주파수 성분에 비례하는 인자(p)를 가지며, 상기 인자(p)를 최소화하도록 형성될 수 있다.The double frequency component included in the nonlinear laser surface wave has a factor (p) proportional to the fundamental frequency component and may be formed to minimize the factor (p).

비선형 레이저 표면파의 종파는 아래 수학식으로 표현되고, 비례인자(p)는 슬릿 마스크의 슬릿 열림 폭(w)과 슬릿 간격(d)의 비에 의해 최소화 되도록 결정될 수 있다.The longitudinal wave of the nonlinear laser surface wave is represented by the following equation, and the proportional factor p may be determined to be minimized by the ratio of the slit opening width w and the slit spacing d of the slit mask.

Figure 112011093288837-pat00001
Figure 112011093288837-pat00001

여기서, A1: 기본주파수 성분의 크기, k: 표면파의 파수, ω: 각주파수, β: 비선형 파라미터, b: 위상차이다.Where A1 is the magnitude of the fundamental frequency component, k is the wave number of the surface wave, ω is the angular frequency, β is a nonlinear parameter, and b is a phase difference.

또는, 비선형 레이저 표면파의 종파는 아래 수학식으로 표현되고, 상기 2배 주파수 성분은 슬릿 마스크의 슬릿 열림 폭(w)과 슬릿 간격(d)의 비에 의해 0이 되도록 결정될 수 있다.
Alternatively, the longitudinal wave of the nonlinear laser surface wave is represented by the following equation, and the double frequency component may be determined to be zero by the ratio of the slit opening width w and the slit spacing d of the slit mask.

본 발명의 실시예에 따르면, 비접촉식 비선형 레이저 표면파를 이용하여, 접촉식 탐촉자를 이용할 때 나타나는 실험적 오차를 극복함으로써 검사자의 사용 환경에 영향을 적게 받는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by using a non-contact nonlinear laser surface wave, it is possible to overcome the experimental error that occurs when using a contact probe, thereby having an effect that is less affected by the environment of the inspector.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치와 방법에 의해, 원자력 플랜트, 우주항공, 각종 산업플랜트 등의 구조물이나 재료에 대한 안전 관리 수준이 높은 산업 분야에서 실시간 모니터링이 가능하도록 하는 효과가 있다.
In addition, according to an embodiment of the present invention, by the micro-damage diagnosis apparatus and method using a non-linear laser surface wave, real-time monitoring in the industrial field with high safety management level for structures and materials such as nuclear power plants, aerospace, various industrial plants, etc. There is an effect to make this possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치의 구성도이다.
도 2는 레이저 흡수에 의한 변형 및 이에 의해 발생되는 초음파의 형태를 나타낸다.
도 3은 레이저 빔의 형상에 따라 발생되는 표면파의 형태를 나타낸다.
도 4는 레이저 빔이 피검사체 표면에 입사될 때 슬릿 마스크와 이 때 발생되는 표면파의 형상을 나타낸다.
도 5는 상대적 비선형 파라미터의 예측 결과를 나타낸다.
도 6은 실제 재료의 비선형 파라미터의 값이 다른 시험편을 이용한 상대적 비선형 파라미터의 측정 결과이다.
도 7은 슬릿 마스크의 슬릿 열림 폭과 슬릿 간격을 변화시켜 발생된 레이저 여기 표면파의 주파수를 분석하여 기본 주파수 성분의 크기와 2배 주파수 성분의 크기를 비교한 그래프이다.
1 is a block diagram of a micro-damage diagnosis apparatus using a nonlinear laser surface wave according to an embodiment of the present invention.
2 shows the deformation due to laser absorption and the shape of the ultrasonic waves generated thereby.
3 shows the shape of the surface wave generated according to the shape of the laser beam.
4 shows the shape of the slit mask and the surface wave generated at the time when the laser beam is incident on the surface of the test object.
5 shows the prediction result of the relative nonlinear parameter.
6 is a result of measuring relative nonlinear parameters using test pieces having different values of nonlinear parameters of actual materials.
7 is a graph comparing the magnitude of the fundamental frequency component and the magnitude of the double frequency component by analyzing the frequency of the laser excited surface wave generated by changing the slit opening width and the slit interval of the slit mask.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다. Hereinafter, configurations and applications according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description is one of several aspects of the patentable invention and the following description forms part of the detailed description of the invention.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail for the sake of clarity and conciseness.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치(100)의 구성도이다.1 is a block diagram of a micro-damage diagnosis apparatus 100 using a nonlinear laser surface wave according to an embodiment of the present invention.

미소손상 진단 장치(100)는 표면파 가진부(110) 및 신호 분석부(120)를 포함하며, 표면파 가진부(110)는 고출력 펄스 레이저 소스(112), 빔 익스팬더(124), 슬릿 마스크(116)를 포함한다. 신호 분석부(120)는 표면파 수신기(122) 및 주파수 분석기(124)를 포함할 수 있다.The micro-damage diagnosis apparatus 100 includes a surface wave excitation unit 110 and a signal analyzer 120, and the surface wave excitation unit 110 includes a high power pulse laser source 112, a beam expander 124, and a slit mask 116. ). The signal analyzer 120 may include a surface wave receiver 122 and a frequency analyzer 124.

고출력 펄스 레이저 소스(112)로는 Nd:YAG 펄스 레이저(파장 1064nm, 펄스 폭 5ns)가 사용될 수 있으며, 슬릿 마스크(116)는 레이저의 회절 효과를 억제하기 위해 피검사체(D) 표면에 부착될 수 있다. 신호 분석부(120)에 의해 수신된 신호는 펄서/리시버를 이용해 증폭시킨 후, 디지털 오실로스코프에서 A/D 변환된다. 이러한 주파수 분석에는 FFT(fast Fourier transform)가 이용될 수 있다.As the high power pulse laser source 112, an Nd: YAG pulse laser (wavelength 1064 nm, pulse width 5 ns) may be used, and the slit mask 116 may be attached to the surface of the object D to suppress the diffraction effect of the laser. have. The signal received by the signal analyzer 120 is amplified using a pulser / receiver and then A / D converted in a digital oscilloscope. Fast Fourier transform (FFT) may be used for such frequency analysis.

고출력 펄스 레이저 소스(112)로부터의 레이저 빔에 의한 표면파 형태를 설명하기 위해 도 2 및 3을 참조할 수 있으며, 도 2는 레이저 흡수에 의한 변형과 이에 의한 응력에 의해 발생되는 초음파의 형태를 나타내고, 도 3은 레이저 빔의 형상에 따라 발생되는 표면파의 형태를 나타낸다.Reference may be made to FIGS. 2 and 3 to describe the surface wave shape by the laser beam from the high power pulsed laser source 112, which illustrates the shape of the ultrasonic wave generated by the deformation and stress caused by laser absorption. 3 shows the shape of the surface wave generated according to the shape of the laser beam.

도 2를 참조하여, 레이저를 이용한 초음파 발생은 레이저 빔(L)이 피검사체(D) 표면에 입사함에 따라 발생하는 열변형에 기인한다. 적절한 세기의 레이저 빔(L)이 피검사체(D)의 표면에 조사되면 표면은 순간적으로 가열되면서 열응력이 발생하며 이에 의한 피검사체(D)의 변형은 피검사체(D) 내에 탄성파를 발생시킨다. 즉, 레이저 빔(L)이 피검사체(D)에 흡수되면 피검사체(D)는 열팽창하여 3축의 모든 방향으로 팽창하며, 이에 의해 종파(P), 횡파(S), 표면파(R)가 발생한다.Referring to FIG. 2, ultrasonic generation using a laser is attributable to thermal deformation generated when the laser beam L is incident on the surface of the test object D. When the laser beam L of the appropriate intensity is irradiated onto the surface of the object D, the surface is heated instantaneously and thermal stress is generated. Accordingly, deformation of the object D causes seismic waves in the object D. . That is, when the laser beam L is absorbed by the object D, the object D thermally expands and expands in all directions of three axes, thereby generating longitudinal waves P, transverse waves S, and surface waves R. do.

도 3을 참조하여, 일반적인 레이저 빔(L)은 포인트(point) 형태를 가지고, 이에 따라 발생되는 표면파는 모든 방향으로 전파하며 광대역 주파수를 가진다. 이는 표면파의 에너지를 분산시키며 검사하고자 하는 방향 이외에 모든 방향으로 파동이 전파되고, 또한 주파수 분석이 어려운 단점이 있다. 이에 선(line) 형태의 레이저 빔(L)을 이용하게 되면 방향성은 개선되지만 여전히 광대역 주파수를 가진다. 따라서, 레이저 빔(L)을 선배열(line-array) 형태로 이용하게 되면 표면파는 방향성 및 협대역 주파수를 가지게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미소손상 진단 장치(100)는 슬릿 마스크(116)를 이용하여 선배열 형태의 레이저 빔(L)을 형성한다.Referring to FIG. 3, the general laser beam L has a point shape, and thus the surface wave generated therein propagates in all directions and has a broadband frequency. This disperses the energy of the surface waves and propagates waves in all directions except for the direction to be examined, and also has difficulty in frequency analysis. Using the laser beam L in the form of a line improves the directionality but still has a broadband frequency. Therefore, when the laser beam L is used in the form of a line-array, the surface waves have a directional and narrow band frequency. The micro-damage diagnostic apparatus 100 according to an embodiment of the present invention forms the laser beam L in the form of a line array using the slit mask 116.

도 4는 레이저 빔이 피검사체 표면에 입사될 때 슬릿 마스크와 이 때 발생된 표면파의 형상을 나타낸다. 레이저 기반 표면파는 피검사체(D)에 입사되는 레이저 빔(L)의 형태, 간격, 세기 등의 조건에 의하여 그 형태 및 주파수가 결정된다. 이러한 레이저 빔(L)의 조건은 슬릿 마스크(116)의 형태에 의해 결정된다. 도 4에서, d는 각 슬릿의 간격, w는 슬릿의 열림 폭, λ는 발생 표면파의 파장이다.4 shows the shape of the slit mask and the surface wave generated at the time when the laser beam is incident on the surface of the test object. The shape and frequency of the laser-based surface wave are determined by conditions such as the shape, spacing, and intensity of the laser beam L incident on the inspected object D. The condition of the laser beam L is determined by the shape of the slit mask 116. In Fig. 4, d is an interval of each slit, w is an opening width of the slit, and λ is a wavelength of the generated surface wave.

고체 피검사체(D)의 비선형탄성 특성은 결정 내 원자들 간의 인력과 척력으로 인한 평균원자 분리 거리에 대한 상호작용력으로 나타나며, 이는 물리적으로 원자간 분리거리에 대한 작용응력이 비선형적 거동을 하는 데서 나타나는 특성이다. 즉, 고체 피검사체(D)의 원자간 에너지는 조화특성을 갖지 못하고 비조화 특성을 나타낸다. 일반적으로 이러한 비조화 특성은 연속체 근사를 이용하여 고차탄성 이론으로 설명된다. 주어진 일정한 주파수를 갖는 사인파형의 초음파가 충분한 진폭을 갖고 비조화 특성을 갖는 고체 매질 내를 전파할 경우 기본 입사 주파수를 갖는 초음파는 재료의 비선형 특성에 따라서 국부적인 위상 속도의 차이로 인해 왜곡 현상이 발생한다. 따라서, 기본 주파수의 배수에 해당하는 고차 조화성분이 발생하게 된다. 이러한 고차 조화파 성분은 물리적으로 고체 재료의 비선형적인 응력-변형율 관계,

Figure 112011093288837-pat00002
, 에 의해 나타나는 것으로 고차탄성계수에 크게 의존하게 되므로 고체재료의 비선형성을 나타내게 된다. The nonlinear elastic properties of the solid test object (D) are represented by the interaction force between the atoms in the crystal and the mean atomic separation distance due to the repulsive force, which is caused by the nonlinear behavior of the physical stresses with respect to the separation distance between atoms. It is a characteristic that appears. That is, the interatomic energy of the solid inspected object D does not have a harmonic characteristic but exhibits a non-harmonic characteristic. In general, this unharmonized property is explained by the higher-order elastic theory using continuum approximation. When a sinusoidal ultrasonic wave with a given constant frequency propagates in a solid medium having sufficient amplitude and non-harmonic nature, the ultrasonic wave having a fundamental incident frequency is distorted due to the difference in local phase velocity depending on the nonlinear nature of the material. Occurs. Therefore, a higher order harmonic component corresponding to a multiple of the fundamental frequency is generated. These higher harmonic components are physically related to the nonlinear stress-strain relationship of solid materials,
Figure 112011093288837-pat00002
This results in nonlinearity of the solid material because it is highly dependent on the higher order modulus.

일반적으로 고체재료가 변형될 때 재료의 선형특성, 즉 2차 탄성계수는 거의 변화가 없거나 미비한 것으로 간주된다. 하지만, 2차 탄성계수에 비해 절대적인 수치는 매우 낮지만 3차 및 4차 탄성계수는 크게 변하게 된다. 따라서 이러한 고차탄성계수에 의존하는 고차 조화파를 이용하여 재료의 미시적인 변화를 평가하는 것이 매우 유용하다. 이상과 같이 초음파 비선형성은 초음파가 전파되는 고체의 결정구조상태 혹은 결정의 규칙성에 밀접한 관련이 있으며 전위로 인한 결정격자 내 원자배열의 붕괴, 전위쌍극자, 보이드 그리고 결정립계 등 많은 고체재료 내 격자결함들이 비선형 파라미터에 영향을 미치게 된다.In general, when the solid material deforms, the linear properties of the material, that is, the secondary elastic modulus, are regarded as little or no change. However, the absolute value is very low compared to the secondary elastic modulus, but the third and fourth modulus are greatly changed. Therefore, it is very useful to evaluate microscopic changes in materials using higher-order harmonics that depend on such higher-order modulus. As mentioned above, the ultrasonic nonlinearity is closely related to the crystal structure state or the regularity of crystals in which the ultrasonic wave propagates. This will affect the parameters.

반무한 매질의 표면을 따라 전파하는 표면파의 경우 그 변위 성분은 진행방향인 x축과 이에 수직한 z축의 성분을 고려한다. 이 때 각 방향에 대한 변위 포텐셜은 다음 수학식 1 및 2로 나타낼 수 있다.In the case of surface waves propagating along the surface of a semi-infinite medium, the displacement component takes into account the component of the x-axis and the z-axis perpendicular to the direction of travel. At this time, the displacement potential in each direction can be represented by the following equations (1) and (2).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112011093288837-pat00003
Figure 112011093288837-pat00003

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112011093288837-pat00004
Figure 112011093288837-pat00004

여기서,

Figure 112011093288837-pat00005
,
Figure 112011093288837-pat00006
,
Figure 112011093288837-pat00007
here,
Figure 112011093288837-pat00005
,
Figure 112011093288837-pat00006
,
Figure 112011093288837-pat00007

그리고, B1, C1은 임의의 상수 cL과 cT는 각각 종파와 횡파의 속도를 의미하며, k, w 및 c는 표면파의 파수, 각주파수 및 전파속도이다.In addition, B 1 , C 1 are arbitrary constants c L and c T are the speed of the longitudinal wave and the transverse wave, respectively, k, w and c are the wave number, angular frequency and propagation speed of the surface wave.

표면파는 종파와 횡파의 합성파로 고체의 무응력 상태인 표면을 따라 전파하는 특성을 갖는 것을 고려하여 변위성분을 각각 종파와 횡파 성분으로 분리하면 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.The surface wave is a composite wave of longitudinal wave and transverse wave, and considering that the wave propagates along the surface of the non-stressed state of solid state, the displacement component can be expressed as the following equation.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112011093288837-pat00008
Figure 112011093288837-pat00008

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112011093288837-pat00009
Figure 112011093288837-pat00009

여기서,

Figure 112011093288837-pat00010
,
Figure 112011093288837-pat00011
here,
Figure 112011093288837-pat00010
,
Figure 112011093288837-pat00011

그리고 비선형성을 갖는 고체매질의 경우 충분한 거리를 전파해 가는 표면파의 2차 고조파 성분을 고려하면 다음과 같이 표현할 수 있다.In the case of the non-linear solid medium, the second harmonic component of the surface wave propagating a sufficient distance can be expressed as follows.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112011093288837-pat00012
Figure 112011093288837-pat00012

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112011093288837-pat00013
Figure 112011093288837-pat00013

표면파의 경우 ux와 uz에는 종파와 횡파 성분이 모두 기여한다. 그런데, 매질이 등방성이고 2차 약한 음향 비선형성을 갖는 경우 횡파의 음향 비선형성은 3차 탄성계수의 대칭성으로 인해 무시될 수 있다. 따라서, 표면파의 음향 비선형성은 종파성분만이 기여하게 되며 이는 일반적인 종파에서의 비선형성 특성과 유사하게 된다. 즉, 전파하는 표면파에서 파동방정식은 다음과 같이 수학식 7의 종파의 파동방정식으로 나타낼 수 있다.For surface waves, both longitudinal and transverse components contribute to ux and uz. By the way, when the medium is isotropic and has a second weak acoustic nonlinearity, the acoustic nonlinearity of the transverse wave can be ignored due to the symmetry of the tertiary elastic modulus. Therefore, the acoustic nonlinearity of the surface wave contributes only the longitudinal component, which is similar to the nonlinear characteristic of the general longitudinal wave. That is, the wave equation in the propagating surface wave can be represented by the wave equation of the longitudinal wave of Equation 7 as follows.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112011093288837-pat00014
Figure 112011093288837-pat00014

여기서, A2는 다음과 같이 나타내어 진다.Here, A2 is represented as follows.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112011093288837-pat00015
Figure 112011093288837-pat00015

여기서 β는 비선형 파라미터이고 x는 전파거리이다.Where β is a nonlinear parameter and x is the propagation distance.

따라서, 비선형 파라미터 β는 다음과 같이 계산된다.Therefore, the nonlinear parameter β is calculated as follows.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure 112011093288837-pat00016
Figure 112011093288837-pat00016

비선형 초음파 기술은 수학식 9와 같이 기본 주파수 성분과 2배 주파수 성분의 비를 통하여 계산될 수 있다. 그러나, 레이저에 의해 발생된 표면파는 수학식 7과 같이 재료의 비선형 특성에 의해 발생된 2배 주파수 성분 외에도, 레이저에 의해 표면파가 발생될 때부터 본질적으로 2배 주파수 성분을 포함하게 된다.Nonlinear ultrasound technology may be calculated through the ratio of the fundamental frequency component and the double frequency component as shown in Equation (9). However, the surface wave generated by the laser essentially includes the double frequency component since the surface wave is generated by the laser, in addition to the double frequency component generated by the nonlinear characteristic of the material as shown in Equation (7).

이를 수식적으로 나타내면 다음 수학식과 같다.This is expressed as the following equation.

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure 112011093288837-pat00017
Figure 112011093288837-pat00017

이 식은 레이저 여기 표면파의 기본 주파수 성분, 재료의 비선형성에 의해 나타난 성분 및 레이저 여기 표면파에 본질적으로 포함되어 있는 2배 주파수 성분을 나타낸다. 레이저 여기 표면파에 의해 발생된 2배 주파수 성분은 기본 주파수 성분에 p배에 해당하는 크기를 가지며, 기본 주파수 성분과 b의 위상차이를 가진다.This equation represents the fundamental frequency component of the laser excited surface wave, the component exhibited by the nonlinearity of the material, and the double frequency component essentially contained in the laser excited surface wave. The double frequency component generated by the laser-excited surface wave has a magnitude corresponding to p times the fundamental frequency component, and has a phase difference between the fundamental frequency component and b.

위의 수학식에서 레이저 표면파에 본질적으로 포함된2배 주파수 성분의 크기는 재료의 비선형성에 의해 발생하는 성분과, 레이저에 의해 본질적으로 발생된 성분의 중첩으로 나타나므로, 위의 수학식에서 β의 값을 직접적으로 얻기는 힘들다. 그러므로, 다음의 수학식 11과 같은 상대적 비선형 파라미터 β'을 이용할 수 있다.In the above equation, the magnitude of the double frequency component essentially included in the laser surface wave is represented by the overlap of the component generated by the nonlinearity of the material and the component generated essentially by the laser. It's hard to get it directly. Therefore, the relative nonlinear parameter β 'such as the following Equation 11 can be used.

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure 112011093288837-pat00018
Figure 112011093288837-pat00018

상대적 비선형 파라미터 β'은 기본 주파수 성분의 측정신호의 크기의 제곱(

Figure 112011093288837-pat00019
)과 2배 주파수 성분의 측정 크기(
Figure 112011093288837-pat00020
)의 비로 나타내어 진다.The relative nonlinear parameter β 'is the square of the magnitude of the measured signal of the fundamental frequency component (
Figure 112011093288837-pat00019
) And the measured magnitude of the double frequency component (
Figure 112011093288837-pat00020
It is represented by the ratio of).

따라서, 재료의 비선형성 β, 위상 b, 본질적 2배 주파수 성분의 크기의 비 p의 변화에 대한 상대적 비선형 파라미터 β'의 값을 계산하면 도 5와 같다.Accordingly, the value of the relative nonlinear parameter β 'for the change in the ratio of the nonlinearity β of the material, the phase b, the magnitude of the essentially double frequency component, p' is shown in FIG. 5.

도 5는 상대적 비선형 파라미터의 예측 결과를 나타내며, 위상(b)에 따라서 재료의 비선형성(β)이 0.05부터 0.05 단위로 0.25까지 증가할 때, 상대적 비선형 파라미터(β')의 값의 변화 특성이 다름을 알 수 있다. 즉, 0 내지 180도(degree)의 b에 대해서는 재료의 비선형이 커지더라도 상대적 비선형 파라미터의 값은 작아지며, 180 내지 360도의 b에서는 재료 비선형이 커짐에 따라 상대적 비선형 파라미터도 증가한다. Fig. 5 shows the prediction result of the relative nonlinear parameter, and when the nonlinearity (β) of the material increases from 0.05 to 0.25 in 0.05 units according to the phase (b), the change characteristic of the value of the relative nonlinear parameter β 'is You can see the difference. That is, for b of 0 to 180 degrees, even if the nonlinearity of the material increases, the value of the relative nonlinear parameter decreases. In b of 180 to 360 degrees, the relative nonlinear parameter also increases as the material nonlinearity increases.

이는 p=0일 경우 상대적 비선형 파라미터(β')가 재료의 비선형성(β)을 직접적으로 반영하는 것을 의미한다. P=0인 레이저 여기 표면파를 만들기 위해서는 슬릿 마스크(116)의 슬림 열림 폭(w)과 슬릿 간격(d)의 변경을 통하여 가능하다.This means that when p = 0 the relative nonlinear parameter β ′ directly reflects the nonlinearity β of the material. In order to produce a laser excited surface wave of P = 0, it is possible to change the slim opening width w and the slit spacing d of the slit mask 116.

도 6은 실제 재료의 비선형 파라미터(β)의 값이 다른 시험편을 이용하여 상대적 비선형 파라미터(β')를 측정한 결과이다. 여기에 사용된 재료는 알루미늄 합금의 인장 시험편으로 strain/elongation은 재료의 연신율에 따른 변형율의 비로 100%일 때 파단된 시험편을 의미한다. 이 재료는 변형율이 커짐에 따라 더 큰 β의 값을 갖는 시험편이다. 따라서, strain/elongation의 증가는 β의 증가를 의미한다. 6 is a result of measuring the relative nonlinear parameter β 'using a test piece having a different value of the nonlinear parameter β of the actual material. The material used here is a tensile test piece of aluminum alloy, and strain / elongation means a test piece that breaks at 100% as a ratio of strain to material elongation. This material is a test piece with a larger value of β as the strain increases. Thus, an increase in strain / elongation means an increase in β.

도 6을 참조하여, p=0인 경우 재료의 비선형 β가 커짐에 따라 상대적 비선형 파라미터(β')의 값이 증가하며, 이는 도 5의 p=0인 경우에 해당한다. 이에 반해, 도 6에서 p=0.4인 경우는 재료의 비선형성 β가 증가하더라도 상대적 비선형 파라미터(β')가 감소하는 경향을 보이며, 이는 도 5의 p=0.4. b=0 내지 180도인 경우에 해당한다.Referring to FIG. 6, when p = 0, the value of the relative nonlinear parameter β ′ increases as the nonlinear β of the material increases, which corresponds to the case of p = 0 of FIG. 5. In contrast, in the case of p = 0.4 in FIG. 6, the relative nonlinear parameter β ′ decreases even if the nonlinearity β of the material increases, which is p = 0.4 in FIG. 5. This corresponds to the case of b = 0 to 180 degrees.

즉, 상대적 비선형 파라미터(β')의 값은 재료의 비선형성을 나타내는 값이 되어야 하므로, 본질적으로 존재하는 2배 주파수 성분의 크기(p)가 최소인 경우가 가장 이상적임을 알 수 있다.That is, since the value of the relative nonlinear parameter β 'should be a value representing the nonlinearity of the material, it can be seen that the ideal case is the case where the magnitude (p) of the essentially double frequency component is minimal.

2배 주파수 성분의 크기(p)는 슬릿 마스크(116)의 슬릿 열림 폭(w)과 슬릿 간격(d)에 의존하므로, 슬릿 마스크(116)의 배열 간격을 결정함으로써 p=0에 해당하는 레이저 표면파를 얻을 수 있다.Since the magnitude p of the double frequency component depends on the slit opening width w of the slit mask 116 and the slit spacing d, the laser corresponding to p = 0 by determining the arrangement interval of the slit mask 116. A surface wave can be obtained.

도 7은 슬릿 마스크의 슬릿 열림 폭(w)과 슬릿 간격(d)을 변화시켜 발생된 레이저 여기 표면파의 주파수를 분석하여 기본 주파수 성분의 크기와 2배 주파수 성분의 크기를 비교한 실험 결과이다.7 is an experimental result comparing the magnitude of the fundamental frequency component and the magnitude of the double frequency component by analyzing the frequency of the laser excitation surface wave generated by changing the slit opening width (w) and the slit interval (d) of the slit mask.

도 7을 참조하여, 슬릿 마스크(116)의 배열 간격 결정을 슬릿 열림 폭/슬릿 간격(d)을 통하여 2배 주파수 성분의 크기(p)가 최소가 되도록 하는 것이 바람직하다. 나아가, 2배 주파수 성분의 크기(p)가 0이 되는 레이저 표면파를 발생시켜 피검사체(D)의 비선형 성분을 나타내는 β값을 구할 수 있다.Referring to FIG. 7, it is preferable to make the arrangement interval determination of the slit mask 116 to minimize the magnitude p of the double frequency component through the slit opening width / slit interval d. Furthermore, by generating a laser surface wave in which the magnitude p of the double frequency component becomes zero, the β value representing the nonlinear component of the inspected object D can be obtained.

이러한 본 발명에 따르면, 비접촉식 비선형 레이저 표면파를 이용하여 접촉식 탐촉자에 의하던 오차를 극복함으로써 검사자의 사용 환경에 영향을 적게 받는 미소손상 진단을 가능하게 할 수 있다.According to the present invention, by using a non-contact non-linear laser surface wave to overcome the error caused by the contact transducer it is possible to enable the micro-damage diagnosis is less affected by the environment of the examiner.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, such modifications or variations will have to be belong to the claims of the present invention.

100 : 미소손상 진단 장치
110 : 표면파 가진부
112 : 레이저 소스
116: 슬릿 마스크
120: 신호 분석부
100: micro damage diagnosis device
110: surface wave excitation part
112: laser source
116: slit mask
120: signal analysis unit

Claims (8)

슬릿 마스크를 통해 피검사체로 표면파를 입사시키는 표면파 가진부; 및
상기 피검사체로부터의 신호를 수신하여 주파수를 분석하는 신호 분석부;
를 포함하고,
상기 슬릿 마스크는 표면파에 포함된 2배 주파수 성분이 최소화되도록 형성되는, 비선형 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치.
A surface wave excitation unit for injecting surface waves into the test object through the slit mask; And
A signal analyzer which analyzes a frequency by receiving a signal from the object under test;
Lt; / RTI >
The slit mask is a micro-damage diagnostic apparatus using a non-linear surface wave is formed so as to minimize the double frequency components contained in the surface wave.
제1항에 있어서,
상기 슬릿 마스크의 슬릿 열림 폭과 슬릿 간격의 비는 상기 표면파에 포함된 2배 주파수 성분의 크기가 최소화되도록 결정되는, 비선형 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치.
The method of claim 1,
The ratio of the slit opening width and the slit spacing of the slit mask is determined to minimize the size of the double frequency components included in the surface wave, micro-damage diagnostic apparatus using a non-linear surface wave.
제2항에 있어서,
상기 표면파에 포함된 2배 주파수 성분의 크기는 0인, 비선형 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치.
The method of claim 2,
Micro-damage diagnostic device using a non-linear surface wave, the magnitude of the double frequency component contained in the surface wave is zero.
제1항에 있어서,
상기 표면파 가진부는 피검사체와 비접촉하는 선배열 레이저 빔(L)을 발생시키는 레이저 소스를 포함하고, 상기 슬릿 마스크는 상기 레이저 소스와 피검사체 사이에 배치되는, 비선형 표면파를 이용한 미소손상 진단 장치.
The method of claim 1,
The surface wave excitation unit comprises a laser source for generating a line array laser beam (L) in non-contact with the test object, and the slit mask is disposed between the laser source and the test object, micro-damage diagnosis apparatus using a non-linear surface wave.
슬릿 마스크를 통한 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 방법에 있어서,
상기 비선형 레이저 표면파의 주파수는 비선형 레이저 표면파의 기본 주파수 성분, 피검사체의 비선형성에 의한 주파수 성분 및 비선형 레이저 표면파에 포함된 2배 주파수 성분을 포함하고, 상기 비선형 레이저 표면파에 포함된 2배 주파수 성분을 최소화하는, 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 방법.
In the micro damage diagnosis method using a nonlinear laser surface wave through a slit mask,
The frequency of the nonlinear laser surface wave includes a fundamental frequency component of the nonlinear laser surface wave, a frequency component caused by nonlinearity of the subject, and a double frequency component included in the nonlinear laser surface wave, and includes a double frequency component included in the nonlinear laser surface wave. Minimized damage diagnosis method using nonlinear laser surface wave.
제5항에 있어서,
상기 비선형 레이저 표면파의 2배 주파수 성분은 기본주파수 성분에 비례하는 인자를 가지며, 상기 인자를 최소화하는, 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 방법.
The method of claim 5,
The double frequency component of the nonlinear laser surface wave has a factor proportional to the fundamental frequency component and minimizes the factor.
제6항에 있어서,
비선형 레이저 표면파의 종파는 아래 수학식으로 표현되고, 비례인자는 슬릿 마스크의 슬릿 열림 폭과 슬릿 간격의 비에 의해 최소화 되도록 결정되는, 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 방법.
Figure 112013025940671-pat00021

여기서, A1: 기본주파수 성분의 크기
k: 표면파의 파수
ω: 각주파수
β: 비선형 파라미터
b: 위상차
p: 비례인자
The method according to claim 6,
The longitudinal wave of the nonlinear laser surface wave is represented by the following equation, and the proportional factor is determined to be minimized by the ratio of the slit opening width and the slit spacing of the slit mask.
Figure 112013025940671-pat00021

Where A 1 : magnitude of the fundamental frequency component
k: wavenumber of surface wave
ω: angular frequency
β: nonlinear parameter
b: phase difference
p: proportional factor
제6항에 있어서,
비선형 레이저 표면파의 종파는 아래 수학식으로 표현되고, 비례인자는 슬릿 마스크의 슬릿 열림 폭과 슬릿 간격의 비에 의해 0이 되도록 결정되는, 비선형 레이저 표면파를 이용한 미소손상 진단 방법.
Figure 112013025940671-pat00022

여기서, A1: 기본주파수 성분의 크기
k: 표면파의 파수
ω: 각주파수
β: 비선형 파라미터
b: 위상차
p: 비례인자
The method according to claim 6,
The longitudinal wave of the nonlinear laser surface wave is represented by the following equation, and the proportional factor is determined to be zero by the ratio of the slit opening width and the slit spacing of the slit mask.
Figure 112013025940671-pat00022

Where A 1 : magnitude of the fundamental frequency component
k: wavenumber of surface wave
ω: angular frequency
β: nonlinear parameter
b: phase difference
p: proportional factor
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