KR101264589B1 - Lamb wave mode filtering wedge and ultrasonic wave test device using it - Google Patents
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Abstract
본 발명은 판파 모드 필터링 웨지 및 이를 이용하는 초음파 검사 장치에 관한 것으로, 불필요한 판파 모드들은 필터링하기 위하여, 피검사물과 동일한 두께를 가지며 일측면이 피검사물의 측면에 접합되는 제1 영역과, 제1 영역의 타측면에 접합되고, 피검사물의 재질, 두께, 그리고 피검사물을 전파하여 수신된 초음파의 판파 모드의 필터링 범위를 고려하여 가변되는 두께를 가지는 제2 영역으로 이루어지며, 이에 의하여 별도의 신호 처리 및 전기적 필터링 과정을 거치지 않고서도 불필요한 범위의 판파 모드들을 필터링할 수 있도록 한다. The present invention relates to a wave wave mode filtering wedge and an ultrasonic inspection apparatus using the same, in order to filter out unnecessary wave wave modes, a first region having the same thickness as the inspected object and having one side bonded to the side of the inspected object, and the first region. And a second region bonded to the other side of the second substrate having a thickness varying in consideration of a material, a thickness of the test object, and a filtering range of the wave wave mode of the ultrasonic wave received by propagating the test object. And it is possible to filter the unnecessary range of wave wave modes without undergoing an electrical filtering process.
초음파 검사, 판파 모드, 필터링, 판재형상의 구조물 Ultrasonic Examination, Wave Mode, Filtering, Sheet Shape Structure
Description
도1은 피검사체의 높이 및 중심축을 도시한 도면,1 is a view showing the height and the central axis of the inspected object;
도2는 도1의 피검사체내에서 전파되는 판파들의 위상속도 분산선도와 군속도 분산 선도를 나타낸 도면, FIG. 2 is a diagram illustrating a phase velocity dispersion diagram and a group velocity dispersion diagram of wave waves propagating in the test object of FIG. 1; FIG.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 판파 모드 필터링 웨지의 구조를 도시한 도면, 그리고3 illustrates a structure of a wave wave mode filtering wedge according to an embodiment of the present invention; and
도4는 도3의 판파 모드 필터링 웨지를 이용하는 피검사체 또는 구조물 비파괴 검사 장치의 전체 구조를 도시한 도면이다. FIG. 4 is a view showing the entire structure of the apparatus or structure nondestructive inspection apparatus using the plate wave mode filtering wedge of FIG.
본 발명은 유도 초음파(ultrasonic guided wave)를 이용한 피검사체 또는 구조물 비파괴 검사 방법에 관한 것으로, 특히 판재 형상의 피검사체에서 발생되는 판파(Lamb wave)의 여러 모드 중 목적에 부합하는 특정 모드들만을 수신할 수 있도록 하는 판파 모드 필터링 웨지에 관한 것이다. The present invention relates to a non-destructive inspection method of an inspected object or a structure by using an ultrasonic guided wave, and in particular, receives only specific modes that meet the purpose among various modes of a wave wave generated in a plate-shaped inspected object. A wave wave mode filtering wedge that allows.
유도 초음파는 검사 대상의 재질과 형상, 그리고 주파수별로 고유한 음파 특 정을 가진다. 이에 피검사체 또는 구조물 비파괴 검사 방법시에는 검사 대상의 형상과 검출 대상에 따라 최적의 모드를 선정하여 사용한다.Guided ultrasound has unique sound wave characteristics for each material, shape, and frequency. Therefore, in the non-destructive inspection method of the inspected object or structure, the optimum mode is selected according to the shape of the inspected object and the detected object.
그러나 현실적으로 최적 모드만을 가지는 유도 초음파를 발생 또는 수신할 수 있는 초음파 탐촉자를 구현하는 것이 불가능하다. 뿐 만 아니라, 일반적으로 하나의 주파수하에서도 다수의 모드들이 발생되므로 단일의 최적 모드만을 분리하는 것도 불가능하다. In reality, however, it is impossible to implement an ultrasonic transducer capable of generating or receiving induction ultrasound having only an optimal mode. In addition, it is not possible to separate only a single optimal mode since multiple modes generally occur under one frequency.
이에 종래의 기술에 따른 판재 형상 구조물의 검사 방법에서는 다수의 모드들을 포함하고 있는 신호에서 각 모드를 판독하기 위한 각종 신호 처리 기술과 특정 모드를 송수신하기 위한 초음파 웨지 등을 사용하고 있으나, 이 또한 현실적으로 불필요한 모드들을 필터링하는 데에는 한계를 가진다. Therefore, the inspection method of the plate-shaped structure according to the prior art uses a variety of signal processing techniques for reading each mode from a signal including a plurality of modes and ultrasonic wedges for transmitting and receiving a specific mode, but also practically There is a limit to filtering out unnecessary modes.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 판재 형상의 구조물에 대한 초음파 검사시 특정 주파수하에서 발생하는 복수의 모드들 중 불필요한 모드들은 안정적으로 필터링할 수 있도록 하는 판파 모드 필터링 웨지를 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to provide a plate wave mode filtering wedge to stably filter out unnecessary modes among a plurality of modes occurring under a specific frequency during ultrasonic inspection of a plate-shaped structure. have.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 판파 모드 필터링 웨지는 피검사물과 동일한 두께를 가지며 일측면이 상기 피검사물의 측면에 접합되는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 타측면에 접합되고, 상기 피검사물의 재질, 두께, 그리고 상기 피검사물을 전파하여 수신된 초음파의 판파 모드의 필터링 범위를 고려하여 가변되는 두께를 가지는 제2 영역으로 이루어질 수 있다.In order to achieve the object of the present invention as described above, the plate wave mode filtering wedge of the present invention has a thickness equal to that of the inspected object and has one side bonded to the side of the inspected object, and the other side of the first region. The second region may be formed of a second region having a thickness varying in consideration of a material, a thickness of the inspected object, and a filtering range of the wave wave mode of the ultrasonic wave received by propagating the inspected object.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 초음파 검사 장치는 판재 형상의 피검사물; 상기 피검사물과 동일한 두께를 가지며 일측면이 상기 피검사물의 측면에 접합되는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 타측면에 접합되고, 상기 피검사물의 재질, 두께, 그리고 상기 피검사물을 전파하여 수신된 초음파의 판파 모드의 필터링 범위를 고려하여 가변되는 두께를 가지는 제2 영역으로 이루어지는 판파 모드 필터링 웨지; 상기 판파 모드 필터링 웨지의 제2 영역의 상부면에 접합되는 경사각 웨지; 및 상기 경사각 웨지의 경사면에 접합되어 상기 피검사물, 상기 판파 모드 필터링 웨지 및 상기 경사각 웨지를 거쳐 전송된 초음파를 수신하는 경사각 웨지 및 초음파 탐촉자를 구비할 수 있다In order to achieve the object of the present invention as described above, the ultrasonic inspection apparatus of the present invention is a plate-like object to be inspected; A first region having the same thickness as the test object and having one side bonded to the side of the test object, and being bonded to the other side of the first area, and propagating the material, thickness and the test object to A wave wave mode filtering wedge including a second region having a thickness varying in consideration of the filtering range of the received wave wave mode; An inclined angle wedge joined to an upper surface of the second region of the wave wave mode filtering wedge; And an inclination angle wedge and an ultrasonic probe bonded to an inclination surface of the inclination angle wedge to receive ultrasonic waves transmitted through the inspected object, the wave wave mode filtering wedge, and the inclination angle wedge.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.The same reference numerals are used for portions having similar functions and functions throughout the drawings.
본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명의 이해를 돕기 위해 판재형상의 구조물에서 전파되는 판파의 거동을 먼저 설명하도록 한다. Prior to describing the present invention, the behavior of the plate wave propagated in the plate-like structure will be described first to help the understanding of the present invention.
도1 및 도2는 일반적인 기술에 따른 판파의 거동을 설명하기 위한 도면이다. 1 and 2 are views for explaining the behavior of the plate wave according to the general technique.
먼저, 판재형상의 구조물내에서 초음파의 거동을 나타내는 지배방정식인 Navier governing equation(Wave motion equation)은 아래의 수학식1로 표현된다. First, the Navier governing equation (Wave motion equation), which represents the behavior of ultrasonic waves in a plate-shaped structure, is expressed by
이때, μ는 전단계수 또는 강성률, λ는 라메의 람다 상수, u는 변위, ρ는 밀도, 그리고 f는 힘을 각각 나타낸다. Where μ is the shear modulus or stiffness, λ is the lambda's lambda constant, u is the displacement, ρ is the density, and f is the force, respectively.
이러한 지배방정식을 도1에서와 같이 두께 2h를 가지는 피검사물에 대해 상하 표면에서 두께 방향(x3)의 응력 상태가 0이라는 경제 조건을 이용하여 풀게 되면, 판의 중심축(x1)에 대해 대칭을 나타내는 수학식2와 비대칭 모드를 각각 나타내는 수학식3을 얻을 수 있다. When this governing equation is solved using the economic condition that the stress state in the thickness direction (x3) is 0 on the upper and lower surfaces of the specimen having a thickness of 2h as shown in FIG. 1, the symmetry with respect to the central axis (x1) of the plate is solved.
이때, p2=
상기의 [수학식2] 및 [수학식3]을 수치해석을 통해 각 주파수별 해를 구하면, 주파수(f,MHz) × 판두께(d,mm)에 대해 대칭모드(S)와 비대칭 모드(A)들 각각의 위상(phase)과 군(group) 속도를 나타내는 각각 도2의 (a) 및 (b)와 같은 분산 선도(dispersion curve)를 구할 수 있다. [Equation 2] and [Equation 3] to obtain the solution for each frequency through the numerical analysis, symmetric mode (S) and asymmetric mode (F, MHz) × plate thickness (d, mm) Dispersion curves such as (a) and (b) of FIG. 2 can be obtained, indicating the phase and group velocity of each of A).
도2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 낮은 주파수(f,MHz) × 판두께(d,mm)에서 대칭 및 비대칭의 가장 낮은 모드인 S0과 A0 모드가 가장 먼저 발생하고, 주파수(f,MHz) × 판두께(d,mm)값이 증가할수록 점차 높은 모드들도 발생하여, 특정 주파수(f,MHz) × 판두께(d,mm)에서는 다수의 모드들이 동시에 발생됨을 볼 수 있다. As shown in (a) and (b) of FIG. 2, the S 0 and A 0 modes, which are the lowest modes of symmetry and asymmetry, occur first at low frequencies (f, MHz) × plate thickness (d, mm). In addition, as the frequency (f, MHz) × plate thickness (d, mm) increases, gradually higher modes also occur, and a plurality of modes occur simultaneously at a specific frequency (f, MHz) × plate thickness (d, mm). Can be seen.
또한 각 모드의 위상 및 군속도는 주파수(f,MHz) × 판두께(d,mm)에 따라 변화됨을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the phase and group speed of each mode change according to the frequency (f, MHz) × plate thickness (d, mm).
일반적인 강구조물에 대한 초음파 검사시 사용되는 초음파의 주파수가 2~3MHz이고 대다수 강구조물의 판재 두께가 5mm 이상인 점을 고려하면, 주파수(f,MHz) × 판두께(d,mm)는 최소 10 이상이 되며, 이 범위에서는 최소 8개 이상의 판파 모드들이 동시 발생됨을 알 수 있다. Considering that the frequency of ultrasonic waves used for ultrasonic inspection of general steel structures is 2 ~ 3MHz and the thickness of most steel structures is 5mm or more, the frequency (f, MHz) × plate thickness (d, mm) is at least 10. In this range, it can be seen that at least eight fan wave modes are generated simultaneously.
이렇게 다수의 판파모드가 동시에 발생하면, 초음파 탐촉자는 다수개의 모드들이 동시에 존재하는 신호를 수신하여, 검사자가 특정 결함에서 발생하는 신호를 판독하기 힘들다. 또한 각 모드들의 전파 속도가 달라 결함의 위치를 계산하기가 어렵다. When multiple panel wave modes occur at the same time, the ultrasonic transducer receives a signal in which multiple modes exist at the same time, making it difficult for an inspector to read a signal generated from a specific defect. In addition, the propagation speed of each mode is different, making it difficult to calculate the location of a defect.
따라서 이러한 다수개의 모드들의 동시 발생에 의한 검사의 어려움을 해결하기 위해 본 발명의 판파 모드 필터링 웨지를 통해 특정 모드가 선택적으로 수집할 필요가 있다. Therefore, in order to solve the difficulty of the inspection by the simultaneous generation of a plurality of modes, it is necessary to selectively collect a specific mode through the wave wave mode filtering wedge of the present invention.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 판파 모드 필터링 웨지의 구조를 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating the structure of a wave wave mode filtering wedge according to an embodiment of the present invention.
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 판파 모드 필터링 웨지는 높이차를 가지는 제1영역(AREA1)과 제2영역(AREA2)을 가지는 계단 형상을 구현된다. As shown in FIG. 3, the wave wave mode filtering wedge of the present invention implements a step shape having a first area AREA1 and a second area AREA2 having a height difference.
제1영역(AREA1)은 피검사물(미도시)과 동일한 두께를 가지고, 제2영역(A2)은 피검사물의 재질, 두께, 그리고 필터링 범위를 고려하여 가변되는 두께를 가진다. The first area AREA1 has the same thickness as the object to be inspected (not shown), and the second area A2 has a thickness varying in consideration of the material, thickness, and filtering range of the object to be inspected.
그리고 판파 모드 필터링 웨지는 실제 판파의 수신에 사용될 초음파 탐촉자(미도시)와 경사각 웨지(미도시)의 전체 길이 및 폭 보다 큰 전체 길이(L) 및 폭(W)을 가진다. And the wave wave mode filtering wedge has a total length L and a width W greater than the total length and width of the ultrasonic transducer (not shown) and the inclination angle wedge (not shown) to be used for receiving the actual wave wave.
바람직하게는 판파 모드 필터링 웨지의 전체 길이(L) 및 폭(W)은 웨지내에서 발생되는 판파의 전파에 있어서 경계 영향(boundary effect)을 최소화하기 위해 초음파 탐촉자와 경사각 웨지의 전체 길이 및 폭의 2배 이상의 치수를 가지도록 한다. Preferably, the total length (L) and width (W) of the wave wave mode filtering wedges is equal to the total length and width of the ultrasonic probe and the inclination angle wedge to minimize the boundary effect in propagation of the wave wave generated within the wedge. Make sure that you have at least two dimensions.
그리고 초음파 탐촉자와 경사각 웨지는 수신하고자 하는 판파 모드, 주파수, 그리고 경사각에 따라 종류를 선택하여 사용할 수 있다. In addition, the ultrasonic transducer and the inclination angle wedge may be used by selecting a type according to the plate wave mode, frequency, and inclination angle to be received.
이와 같은 구조를 가지는 판파 모드 필터링 웨지는 차후에 피검사물에 접합되며, 이때에는 초음파 검사에 널리 사용되는 접촉 매질(couplant)을 사용한다. 또한, 상황에 따라 접합효율을 높여야 하거나 장시간 검사가 필요한 경우에는 접착제를 사용하여 피검사물에 접합하거나 용접을 하여 피검사물에 접합할 수도 있다. A plate wave mode filtering wedge having such a structure is later bonded to an inspected object, in which case a contact medium (couplant), which is widely used for ultrasound, is used. In addition, depending on the circumstances, if the bonding efficiency is to be increased or if a long time inspection is required, the adhesive may be bonded to the inspected object or welded to the inspected object.
이와 같은 구조를 가지는 판파 모드 필터링 웨지는 제2 영역(AREA2)의 두께(T2)를 가변함으로써 필터링 범위를 조절할 수 있다. 즉, 제2 영역(AREA2)의 두께(T2)를 감소시킴으로써 필터링 범위를 높여줄 수 있다. The wave wave mode filtering wedge having such a structure can adjust the filtering range by varying the thickness T2 of the second area AREA2. That is, the filtering range may be increased by reducing the thickness T2 of the second area AREA2.
도4는 도3의 판파 모드 필터링 웨지를 이용하는 피검사체 또는 구조물 비파괴 검사 장치의 전체 구조를 도시한 도면이다. FIG. 4 is a view showing the entire structure of the apparatus or structure nondestructive inspection apparatus using the plate wave mode filtering wedge of FIG.
도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 피검사체 또는 구조물 비파괴 검사 장치는 피검사물(10)과, 피검사물(10)의 측면과 제1영역(AREA1)이 접합되는 도1의 판파 모드 필터링 웨지(20)와, 판파 모드 필터링 웨지(20)의 제2 영역(AREA2)의 상부면에 접합되는 경사각 웨지(30), 경사각 웨지(30)의 경사면에 접합되는 초음파 탐촉자(40)를 구비한다. As shown in FIG. 4, the apparatus or structure nondestructive inspection device of the present invention includes the plate wave mode filtering wedge of FIG. 1, in which the inspected
이때, 도4의 피검사체 또는 구조물 비파괴 검사 장치는 판파를 이용한 비파과 검사에서 주로 낮은 판파 모드(예를 들어, A0, A1, S0, S1 모드)를 사용한다는 점을 고려하여, 상대적으로 높은 모드들의 신호들을 필터링하도록 한다. In this case, the non-destructive inspection device of FIG. 4 uses relatively low wave wave modes (for example, A0, A1, S0, and S1 modes) in non-penetration inspection using the wave wave, and thus the relatively high modes of the non-destructive inspection device of FIG. Filter the signals.
이에 도4의 판파 모드 필터링 웨지의 제2 영역의 두께(T2)를 감소시킴으로써 높은 모드의 판파 신호들을 필터링하고, 초음파 탐촉자(30)와 경사각 웨지(40)는 나머지 낮은 모드 중에서 추가로 특정 모드의 신호만을 수신한다. Accordingly, by filtering the wave mode signals of the high mode by reducing the thickness T2 of the second region of the wave wave mode filtering wedge of FIG. 4, the
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식 을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다. The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art.
상기와 같은 본 발명의 판파 모드 필터링 웨지는 서로 상이한 두께를 가지는 제1 영역과 제2 영역을 구비하고, 제2 영역의 두께를 가변함으로써 불필요한 모드들은 필터링 되도록 한다. 이에 별도의 신호 처리 및 전기적 필터링 과정을 거치지 않고서도 특정 범위의 판파 모드들을 필터링할 수 있도록 한다. The plate wave mode filtering wedge of the present invention as described above includes a first region and a second region having different thicknesses, and by varying the thickness of the second region, unnecessary modes are filtered out. Therefore, it is possible to filter a specific range of wave wave modes without going through a separate signal processing and electrical filtering process.
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