KR101280921B1 - 레이저 유도파를 이용한 유도파 시뮬레이션 방법 및 이를 적용한 유도파 시뮬레이션 장치 - Google Patents

레이저 유도파를 이용한 유도파 시뮬레이션 방법 및 이를 적용한 유도파 시뮬레이션 장치 Download PDF

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Abstract

유도파 시뮬레이션 방법 및 이를 적용한 유도파 시뮬레이션 장치가 제공된다. 본 유도파 시뮬레이션 방법에 따르면, 레이저 유도파를 이용하여 물리적 유도파를 시뮬레이션할 수 있게 되어, 더욱 간편하게 물리적 유도파를 시뮬레이션 할 수 있으며, 이를 영상으로 변환하여 제공할 수도 있게 된다.

Description

레이저 유도파를 이용한 유도파 시뮬레이션 방법 및 이를 적용한 유도파 시뮬레이션 장치{Induced wave simulation method using laser induced wave and Induced wave simulation apparatus applying the same}
본 발명은 실험적 유도파 시뮬레이션 방법 및 이를 적용한 유도파 시뮬레이션 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 유도파를 이용하여 물리적으로 발생된 임의의 유도파를 실제 물리적 실험을 진행하지 않고 레이저 충격파 실험을 통해 시뮬레이션하기 위한 유도파 시뮬레이션 방법 및 이를 적용한 유도파 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.
복잡한 형상 및 재료로 구성된 발사체, 항공기, 공장구조, 에너지설비, 토목구조의 실구조 운용에 있어서 분리 메커니즘 구현을 위해 폭발 충격파를 이용하거나 손상감지 및 평가를 위해 압전소자 유도파를 이용하거나, 외부 충돌에 의해 손상과 기계적 유도 충격파가 발생하기 때문에 충격에 의한 유도파를 확인할 필요가 있다.
이와 같이, 충돌, 폭발, 압전소자등에 의해 발생된 물리적 유도파를 시뮬레이션하는 방법으로, 현재는 수치해석적 접근법으로 이루어지고 있다. 대표적으로 유한요소해석 기법, 통계적 에너지 분석 기법, 하이브리드기법 및 하이드로코드 기법이 있다.
하지만, 이와 같은 기법에 따를 경우, 단순구조에서의 압전소자 가진파와 같은 탄성파의 경우 신뢰도가 보장되나 복잡한 형상이나 기계적 충격 및 폭발 유도파의 경우 정량적 예측에 있어서 신뢰도가 낮으며 유도파의 전파를 영상화 할 수는 없다는 단점이 있다.
이에 따라, 물리적 유도파를 더욱 쉽게 시뮬레이션하고 이를 영상화하기 위한 방법의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 레이저 유도파를 이용하여 물리적 유도파를 시뮬레이션하는 유도파 시뮬레이션 방법 및 이를 적용한 유도파 시뮬레이션 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 방법은, 샘플의 특정 위치에서 발생된 물리적 유도파를 복수의 지점에서 검출하는 단계; 상기 복수의 지점에 대응되는 레이저 유도파를 검출하는 단계; 상기 물리적 유도파 및 상기 레이저 유도파를 이용하여 시뮬레이션된 레이저 유도파를 산출하는 단계; 상기 시뮬레이션된 레이저 유도파와 상기 물리적 유도파의 유사도가 임계값 이상인 경우, 상기 산출단계에서 사용된 변환계수를 저장하는 단계; 상기 샘플의 특정 영역에 대해 일정 간격으로 각 지점별 레이저 유도파를 검출하는 단계; 및 상기 각 지점별 레이저 유도파와 상기 저장된 변환계수를 이용하여, 상기 물리적 유도파에 대한 모델을 산출하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 모델을 이용하여 상기 물리적 유도파에 대한 영상을 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 물리적 유도파는, 상기 샘플의 특정 위치에서 발생된 충격 또는 폭발에 의해 발생된 충격 유도파 또는 폭발 유도파이거나, 또는 압전소자 가진파일 수도 있다.
그리고, 상기 물리적 유도파 검출단계는, 가속도 센서, 압전센서, 및 레이저 진동 센서 중 적어도 하나로 상기 물리적 유도파를 검출할 수도 있다.
또한, 상기 레이저 유도파 검출단계는, 유도파 시뮬레이션 장치를 이용하여 레이저 펄스를 제1 지점에 조사시키고 조사된 레이저 펄스에 의해 발생된 레이저 유도파를 물리적 유도 파원(wave source)인 지점에서 검출하고, 같은 방법으로, 상기 복수의 지점에 대응되는 레이저 유도파를 검출할 수도 있다.
그리고, 상기 유도파 시뮬레이션 장치는, 레이저 펄스를 발생시켜 상기 제1 위치에 조사시키는 레이저부; 및 상기 레이저 펄스에 의해 생성되는 레이저 유도파를 상기 제2 위치에서 검출하는 레이저 유도파 검출부;를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 시뮬레이션된 유도파 산출단계는, 상기 물리적 유도파 및 상기 레이저 유도파를 K개의 밴드로 분할하는 단계; 상기 K개의 밴드에 대해, 상기 물리적 유도파의 공간적인 감쇠(spatial attenuation) 곡선 및 상기 레이저 유도파의 공간적인 감쇠 곡선을 각각 산출하는 단계; 및 상기 물리적 유도파의 공간적인 감쇠 곡선 및 상기 레이저 유도파의 공간적인 감쇠 곡선을 이용하여, 시뮬레이션된 유도파를 산출하는 단계;를 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 변환계수 저장단계는, 상기 복수의 지점에서 검출된 물리적 유도파와 상기 산출된 시뮬레이션된 유도파를 비교하여, 유사도가 임계값 이상인 경우 상기 산출단계에서 사용된 변환계수를 저장하는 단계;를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 모델 산출 단계는, 상기 각 지점별 레이저 유도파와 상기 저장된 변환계수를 이용하여, 상기 물리적 유도파에 대한 모델을 이득 행렬(Gain matrix scheme) 형태로 산출할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치는 상술된 유도파 시뮬레이션 방법을 이용할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 레이저 유도파를 이용하여 물리적 유도파를 시뮬레이션하는 유도파 시뮬레이션 방법 및 이를 적용한 유도파 시뮬레이션 장치를 제공할 수 있게 되어, 샘플의 손상을 유도하거나 다수의 샘플을 요구할 수 있는 물리적 실험을 수행할 필요 없이 더욱 간편하게 물리적 유도파를 레이저 유도파를 이용하여 시뮬레이션 할 수 있으며, 이를 영상으로 변환하여 제공할 수도 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 폭발에 의한 물리적 유도파가 발생되는 샘플을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치의 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치의 물리적 유도파 검출부의 일 예인 레이저 센서의 실제 사진을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치의 레이저부, 레이저 유도파 검출부 및 컴퓨터부의 실제 사진을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치의 유도파 시뮬레이션 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1지점, 제2지점, 제3지점, 및 제4지점에서 검출된 물리적 유도파를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1지점, 제2지점, 제3지점, 및 제4지점에서 검출된 레이저 유도파를 도시한 그래프,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 특정 영역을 일정 간격으로 레이저 유도파를 검출하는 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 영상 생성 과정을 설명하기 위한 일 예를 도시한 도면,
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기계적 충격에 의한 물리적 유도파가 발생되는 샘플을 도시한 도면,
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1지점, 2지점, 3지점에서 검출된 물리적 유도파 신호를 도시한 그래프,
도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1지점, 2지점, 3지점에 대한 레이저 유도파 신호를 도시한 그래프,
도 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 4지점, 5지점, 6지점에 대한 레이저 유도파 신호 및 물리적 유도파 신호,
도 10e는 본 발명의 일 실시예에 따른, 압전소자 가진에 의한 물리적 유도파에 대한 수치적 시뮬레이션(좌측), 레이저 시뮬레이션(우측) 영상을 도시한 도면,
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 30 mm 간격의 볼트와 너트의 체결 구조를 도시한 도면,
도 11b은 본 발명의 일 실시예에 따른, point 1,2,3에서의 실제 물리적 유도파와 시뮬레이션된 유도파를 비교한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 폭발에 의한 물리적 유도파가 발생되는 샘플(100)을 도시한 도면이다. 샘플(100)은 유도파 시뮬레이션 장치에 의해 유도파를 시뮬레이션하는 대상 물체를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같은 샘플(100)은 일정 크기(가로 1700mm, 세로 2500mm, 두께 2mm)의 알루미늄 판을 도시하고 있다. 하지만, 도 1의 샘플은 설명의 편의를 위한 일 실시예에 불과하며, 샘플은 다양한 형태의 물체가 될 수 있으며, 판형 외에도 곡면, 원판, 원통형 등이 될 수도 있다. 구체적으로, 샘플(100)은 복잡한 형상 및 재료로 구성된 발사체, 항공기, 공장구조, 에너지설비, 토목구조의 실제 구조를 이루는 물체가 될 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 샘플(100)의 파원인 폭발 지점(110)에서 폭발이 발생하면, 샘플(100)의 표면에는 폭발의 충격으로 인해 물리적 유도파가 발생되며, 물리적 유도파는 폭발이 발생된 폭발 지점(110)를 중심으로 바깥쪽으로 퍼져 나가게 된다. 여기에서, 물리적 유도파는 샘플(100)의 특정 위치에서 발생된 충격 또는 폭발에 의해 발생된 충격 유도파 또는 폭발 유도파를 나타내며, 이외에도 압전소자 가진파를 나타낼 수도 있다.
샘플(100) 표면의 제1지점(121), 제2지점(122), 제3지점(123), 제4지점(124)은 물리적 유도파를 검출하는 복수의 지점을 나타낸다. 유도파 시뮬레이션 장치는 가속도 센서, 압전센서, 및 레이저 진동 센서 중 적어도 하나를 이용하여 물리적 유도파를 검출한다.
그리고, 샘플(100) 표면의 제5지점(125), 제6지점(126), 제7지점(127), 제8지점(128)은 시뮬레이션된 레이저 유도파와 폭발 충격파와의 유사성을 확인하기 위해 사용되는 확인 지점을 나타낸다.
이와 같은 제1지점(121) 내지 제8지점(128)은 설명의 편의를 위해 제시한 일 예에 불과하며, 각 지점의 개수 및 위치는 다양하게 변화되어 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 폭발이 발생되는 샘플(100)은 유도파 시뮬레이션 장치(200)에서 레이저 펄스가 조사되는 샘플과 같을 수도 있고, 서로 다르지만 대응되는(크기와 모양이 비례하는) 물체가 될 수도 있다. 본 실시예에서는 폭발이 발생되는 샘플(100)이 유도파 시뮬레이션 장치(200)에서 레이저 펄스가 조사되는 샘플과 같은 것으로 가정하여 설명한다.
이하에서는, 도 2를 참고하여 유도파 시뮬레이션 장치(200)의 구조를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치(200)의 구조를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 레이저부(210), 레이저 유도파 검출부(220), 물리적 유도파 검출부(230) 및 컴퓨터(240)를 포함한다.
레이저부(210)는 레이저 발생부(211), LMS(Laser Mirror Scanner)(213), 및 LMS 제어부(215)를 포함한다.
레이저 발생부(211)는 LMS(213)를 통해 샘플(100)에 조사하기 위한 레이저를 발생시킨다. 구체적으로, 레이저 발생부(211)는 레이저 펄스를 발생시켜 LMS(213)으로 조사시킨다.
LMS(213)는 레이저 발생부(211)로부터 조사된 레이저 펄스를 반사시켜 샘플(100)의 특정 지점에 조사시킨다. 이와 같이, LMS(213)는 반사 각을 조절하여 레이저가 조사되는 위치를 조절하는 기능을 수행한다.
LMS 제어부(215)는 LMS(213)를 조절하여 LMS(213)이 레이저를 조사시키는 위치를 제어한다. 구체적으로, LMS 제어부(215)는 컴퓨터(240)로부터 레이저 조사 위치에 대한 제어신호를 수신하여, 제어신호에 따라 LMS(213)의 반사각을 제어하게 된다.
이와 같은 구성을 통해, 레이저부(210)는 레이저 유도파를 발생시키기 위한 레이저 펄스를 특정 위치에 조사시키게 된다.
레이저 유도파 검출부(220)는 센서부(221), 신호 조정부(223), 및 디지타이저(digitizer)(225)를 포함한다.
센서부(221)는 샘플(100) 상의 특정 위치에 배치되고, 레이저 펄스에 의해 유도되는 레이저 유도파의 신호 세기를 일정 시간 동안 검출한다. 센서부(221)는 레이저 유도파 검출을 위한 광센서 등을 포함한다. 그리고, 센서부(221)는 검출된 레이저 유도파의 신호를 신호 조정부(223)로 전달한다.
신호 조정부(signal conditioner)(223)는 센서부(221)에서 검출된 레이저 유도파의 신호를 디지타이저(225)에 맞게 출력을 조절한다.
디지타이저(225)는 검출된 레이저 유도파의 신호를 디지털 값으로 수치화한다. 그리고, 디지타이저(225)는 수치화된 레이저 유도파의 신호값을 컴퓨터(240)로 전달한다.
이와 같은 구성을 통해, 레이저 유도파 검출부(220)는 샘플(100)에서 발생된 레이저 유도파를 검출하고 검출된 레이저 유도파 신호값을 컴퓨터(240)로 전달하게 된다.
물리적 유도파 검출부(230)는 외부 충격이나 폭발 등으로 인해 샘플에 발생된 물리적 유도파를 검출한다. 예를 들어, 물리적 유도파 검출부(230)는 샘플(100) 표면의 제1지점(121), 제2지점(122), 제3지점(123), 제4지점(124)은 물리적 유도파를 검출하게 된다. 물리적 유도파 검출부(230)는 가속도 센서, 압전센서, 및 레이저 진동 센서 중 적어도 하나를 이용하여 물리적 유도파를 검출한다. 그리고, 물리적 유도파 검출부(230)는 검출된 물리적 유도파의 신호값을 컴퓨터(240)로 전달하게 된다.
컴퓨터(240)는 본 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션을 구현하기 위한 프로그램이 설치되어, 유도파 시뮬레이션을 전반적으로 수행하게 된다.
구체적으로, 컴퓨터부(240)는 레이저부(210)를 제어하여 샘플(100)에 조사되는 레이저 펄스의 위치를 조절한다. 또한, 컴퓨터부(240)는 레이저 유도파 검출부(220) 및 물리적 유도파 검출부(230)로부터 레이저 유도파 신호값 및 물리적 유도파 신호값을 수신하고, 수신된 레이저 유도파 신호값 및 물리적 유도파 신호값을 이용하여, 샘플(100)의 전체에 걸친 물리적 유도파의 신호 형태를 시뮬레이션하게 된다. 그리고, 컴퓨터(240)는 시뮬레이션된 유도파를 이용하여 충격에 의해 샘플(100) 상에 발생되는 물리적 유도파의 영상을 생성하여 화면에 표시하게 된다.
이와 같은 구조의 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 레이저 유도파를 이용하여 물리적 충격에 의한 물리적 유도파를 시뮬레이션할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 3 및 도 4를 참고하여 유도파 시뮬레이션 장치(200)의 실제 모습에 대한 사진을 확인한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치(200)의 물리적 유도파 검출부(230)의 일 예인 레이저 센서의 실제 사진을 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 물리적 유도파 검출부(230)는 4개의 레이저 센서를 이용하여 물리적 유도파를 검출하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치(200)의 레이저부(210), 레이저 유도파 검출부(220) 및 컴퓨터부(240)의 실제 사진을 도시한 도면이다. 도 4의 사진에 도시된 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 일 예에 불과하며, 다양한 형태로 구현될 수 있음은 물론이다.
이하에서는, 도 5를 참고하여, 유도파 시뮬레이션 장치(200)가 유도파를 시뮬레이션하는 구체적인 과정에 대해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 장치(200)의 유도파 시뮬레이션 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
먼저, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 샘플(100)의 특정 위치에서 발생된 물리적 유도파를 복수의 지점에서 검출한다(S510). 도 1에 도시된 샘플(100)을 참고하면, 파원인 폭발 지점(110)에서 폭발이 발생하면, 샘플(100)의 표면에는 폭발의 충격으로 인해 물리적 유도파가 발생되며, 물리적 유도파는 폭발 지점(110)를 중심으로 바깥쪽으로 퍼져 나가게 된다. 그러면, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 물리적 유도파 검출부(230)를 통해 복수의 지점에서 검출하게 된다. 구체적으로, 도 1에서, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 제1지점(121), 제2지점(122), 제3지점(123), 및 제4지점(124)의 물리적 유도파를 검출하게 된다.
검출된 물리적 유도파는 도 6에 도시되어 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1지점(121), 제2지점(122), 제3지점(123), 및 제4지점(124)에서 검출된 물리적 유도파를 도시한 그래프이다. 도 6에서, "Pyro Pt1"은 제1지점(121)에서 검출된 물리적 유도파를 나타내고, "Pyro Pt2"는 제2지점(122)에서 검출된 물리적 유도파를 나타내며, "Pyro Pt3"은 제3지점(123)에서 검출된 물리적 유도파를 나타내고, "Pyro Pt4"은 제4지점(124)에서 검출된 물리적 유도파를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1지점(121)에서 제4지점(124)로 갈수록(즉, 폭발 지점에서 멀어질수록), 물리적 유도파의 크기는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 한 지점에 대해서도 시간이 지날수록 물리적 유도파의 크기는 작아지는 것을 확인할 수 있다.
다시, 도 5로 돌아가면, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 물리적 유도파를 검출한 복수의 지점에 대응되는 레이저 유도파를 검출하게 된다(S520). 구체적으로, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 레이저부(210)를 이용하여 샘플(100)의 제1 지점에 레이저 펄스를 조사시키고, 레이저 유도파 검출부(220)를 이용하여 조사된 레이저 펄스에 의해 발생된 레이저 유도파를 폭발 지점이었던 파원 지점(110)에서 검출하게 된다. 제 2 지점, 제 3 지점, 제 4지점에서도 동일한 방법으로 레이저 유도파를 검출하게 된다.
구체적으로, 본 실시예에서는 샘플(100) 상의 폭발지점(110)에 센서부(221)를 배치하고, 물리적 유도파 검출 지점인 제1지점(121), 제2지점(122), 제3지점(123), 및 제4지점(124)에 각각 레이저 펄스를 조사한다. 그러면, 4개 지점(121,122,123,124)에서 검출된 물리적 유도파와 4개 지점(121,122,123,124)의 레이저 펄스에 의해 발생된 레이저 유도파는 각각 서로 같은 거리에 해당되도록 검출되게 된다.
검출된 레이저 유도파는 도 7에 도시되어 있다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1지점(121), 제2지점(122), 제3지점(123), 및 제4지점(124)에서 검출된 레이저 유도파를 도시한 그래프이다. 도 7에서, "Laser Pt1"은 제1지점(121)에 대한 레이저 유도파를 나타내고, "Laser Pt2"는 제2지점(122)에 대한 레이저 유도파를 나타내며, "Laser Pt3"은 제3지점(123)에 대한 레이저 유도파를 나타내고, "Laser Pt4"는 제4지점(124)에 대한 레이저 유도파를 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1지점(121)에서 제4지점(124)로 갈수록(즉, 센서부(221)에서 멀어질수록), 레이저 유도파의 크기는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 한 지점에 대해서도 시간이 지날수록 레이저 유도파의 크기는 작아지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6과 도 7을 비교하면, 같은 지점에 대한 물리적 유도파와 레이저 유도파는 서로 정성적으로 유사한 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다.
다시 도 5로 돌아가면, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 4개 지점(121,122,123,124)에서 검출된 물리적 유도파 및 레이저 유도파를 이용하여 시뮬레이션된 유도파
Figure 112012043438571-pat00001
를 산출한다(S530).
구체적으로, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 물리적 유도파 및 레이저 유도파를 주파수 영역을 K개의 밴드로 분할한다.
구체적으로, N개(N은 자연수)의 지점 중 i번째 지점에서 검출된 물리적 유도파를
Figure 112012043438571-pat00002
로 표현하고, i번째 지점에서 검출된 레이저 유도파를
Figure 112012043438571-pat00003
로 표현한다. 그리고, 전체 주파수 대역이 fh일 때, 전체 주파수 대역을 K개(K는 자연수)로 나누면 하나의 주파수 대역은
Figure 112012043438571-pat00004
가 되고, 주파수 대역의 개수는 총 K개가 된다. 이 때, K개의 대역 중 k번째 대역의 i번째 물리적 유도파를
Figure 112012043438571-pat00005
로 표현하고, K개의 대역 중 k번째 대역의 i번째 레이저 유도파를
Figure 112012043438571-pat00006
로 표현한다.
그러면, k번째 주파수 대역의 공간적인 감쇠(spatial attenuation) 곡선을 다음과 같이 구할 수 있게 된다.
물리적 유도파 감쇠곡선 :
Figure 112012043438571-pat00007
레이저 유도파 감쇠곡선 :
Figure 112012043438571-pat00008
여기에서, A(k)는 k번째 주파수 대역에 대한 유도파의 피크-투-피크(peak-to-peak) 신호 크기를 나타내고, a(k)는 k번째 주파수 대역에 대한 진폭, b(k)는 k번째 주파수 대역에 대한 댐핑(damping), Xi는 i번째 지점의 유도파의 전파 거리(즉, 파원으로부터 검출지점까지의 거리)를 나타낸다. 그리고, a(k) 및 b(k)는 변환계수에 해당된다.
제1지점(121) 내지 제4지점(124)에서 검출된 물리적 유도파 및 레이저 유도파 신호값을 상기 감쇠곡선식에 대입하면, 변환 계수인 a(k) 및 b(k)를 산출할 수 있게 된다.
그리고, 감쇠 곡선을 이용하여 산출된 변환계수 a(k) 및 b(k)를 대입하여, i번째 지점의 시뮬레이션된 유도파
Figure 112012043438571-pat00009
를 다음과 같이 구할 수 있게 된다.
Figure 112012043438571-pat00010
이와 같은 과정을 통해, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 4개 지점(121,122,123,124)에서 검출된 물리적 유도파 및 레이저 유도파를 이용하여 시뮬레이션된 유도파
Figure 112012043438571-pat00011
를 산출하게 된다.
그 후에, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 시뮬레이션된 유도파와 상기 물리적 유도파의 유사도가 임계값 이상인지 여부를 확인한다(S540). 구체적으로, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 4개 지점(121,122,123,124)에서 검출된 물리적 유도파
Figure 112012043438571-pat00012
와 산출된 시뮬레이션된 유도파
Figure 112012043438571-pat00013
를 비교하여 유사도를 다음과 같이 산출한다.
유사도(%) = (
Figure 112012043438571-pat00014
/
Figure 112012043438571-pat00015
) * 100
유사도가 임계값(예를 들어, 99%) 미만인 경우(S540-N), 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 밴드 분할 개수(K)를 변화시키고(S545), 다시 상술된 S530 계를 수행하여 시뮬레이션된 유도파를 산출하게 된다. 물론 유사도의 계산은 목적에 따라 파형을 비교하는 어떤 기법을 사용하여도 무방하다.
반면, 유사도가 임계값(예를 들어, 99%) 이상인 경우(S540-Y), 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 시뮬레이션 유도파 산출에서 사용된 변환계수 a(k) 및 b(k)를 저장하게 된다(S550).
또한, 시뮬레이션된 유도파의 정확도를 확인하기 위해, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 샘플(100) 표면의 제5지점(125), 제6지점(126), 제7지점(127), 제8지점(128)에 대해 시뮬레이션된 레이저 유도파를 산출하여 해당 지점의 물리적 유도파와 선택적으로 비교 검증할 수도 있다.
그 후에, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 샘플(100)의 특정 영역에 대해 일정 간격으로 각 지점별 레이저 유도파를 검출한다(S560). 여기에서, 특정 영역은 사용자가 물리적 유도파를 시뮬레이션하고자 하는 영역을 나타내며, 샘플(100)의 일부 영역 또는 전체 영역이 될 수 있다.
상기의 특정 지점이 아닌 샘플의 특정 영역에서 검출하는 방식은 도 8에 도시된 바와 같다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 특정 영역을 일정 간격으로 레이저 유도파를 검출하는 예를 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 샘플(100)의 특정 영역에 대해 일정 간격 Δ별로 각 지점별 레이저 유도파를 검출하게 된다.
그 후에, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 각 지점별 레이저 유도파와 상기 저장된 변환계수를 이용하여, 특정 영역에서 레이저 유도파를 물리적 유도파로 변환하게 된다(S570).
그리고, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 물리적 유도파와 매우 유사하게 변환된 레이저 유도파들을 이용하여 특정 영역에서의 물리적 유도파에 대한 전파 영상을 생성하게 된다(S580).
S560 내지 S580 단계에 대해서는 도 9를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도파 시뮬레이션 영상 생성 과정을 설명하기 위한 일 예를 도시한 도면이다.
도 9의 (a)는 시뮬레이션된 유도파의 공간적 분포를 나타낸다. 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 인덱스 p는 행번호(p는 0에서 P까지의 자연수)를 나타내고 q는 열 번호(q는 0에서 Q까지의 자연수)를 나타낸다.
그리고, 도 9의 (b)는 시뮬레이션된 유도파의 시간적 분포를 나타낸다. 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 인덱스 n은 시간의 흐름을 나타내고, 총 N개의 시간 간격으로 구성된다.
즉, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 공간적으로 (P+1)*(Q+1)개의 지점과 총 N+1개의 시각에 대해 시뮬레이션된 유도파를 산출하게 된다.
그리고, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 (P+1)*(Q+1)에 포함되는 영역에서 발생된 물리적 유도파에 대한 시뮬레이션 영상을 도 9의 (d)와 같이 각 시간대별로 생성할 수 있게 된다.
이와 같은 과정을 통해, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 물리적 유도파에 대한 특정 영역 내에서의 전파 영상을 산출할 수 있으며, 화면에 연속적으로 표시하여 동영상화하게 된다.
이하에서는, 도 10a 내지 도 10e를 참고하여, 유도파를 시뮬레이션하는 또 다른 실시예에 대해 설명한다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기계적 충격에 의한 물리적 유도파가 발생되는 샘플을 도시한 도면이다. 도 10a에 도시된 바와 같은 샘플은 일정 크기(가로 1700mm, 세로 1700mm, 두께 2mm)의 알류미늄 판이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 샘플의 충격 지점(1010)에는 반경 5mm의 공(1000)에 의해 충격이 가해진다. 그러면, 샘플의 표면에는 충격으로 인해 물리적 유도파가 발생되며, 물리적 유도파는 충격 지점(1010)를 중심으로 바깥쪽으로 퍼져 나가게 된다. 여기에서, 물리적 유도파는 샘플의 충격지점(1010)에서 발생된 충격에 의해 발생된 충격 유도파를 나타낸다.
샘플 표면의 1지점, 2지점, 3지점은 물리적 유도파를 검출하는 복수의 지점을 나타낸다. 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 물리적 유도파 검출부(230)의 가속도 센서, 압전센서, 및 레이저 진동 센서 중 적어도 하나를 이용하여 1지점, 2지점, 3지점의 물리적 유도파를 검출한다. 1지점, 2지점, 3지점에서 검출된 물리적 유도파는 도 10b에 도시되어 있다. 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1지점, 2지점, 3지점에서 검출된 물리적 유도파 신호를 도시한 그래프이다.
또한, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 레이저 유도파 검출부(220)를 이용하여 1지점, 2지점, 3지점에 대한 레이저 유도파를 검출한다. 1지점, 2지점, 3지점에 대한 레이저 유도파는 도 10c에 도시되어 있다. 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1지점, 2지점, 3지점에 대한 레이저 유도파 신호를 도시한 그래프이다.
도 10b 및 도 10c를 비교해보면, 각 지점에 대해 두 신호가 서로 파형은 비슷하나 가속도값에서 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다.
그 후에, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 1지점, 2지점, 3지점에 대한 레이저 유도파 신호 및 물리적 유도파 신호를 이용하여, 레이저 유도파로부터 물리적 유도파로의 변환 모델을 산출하게 된다.
또한, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 상기 모델을 이용하여 샘플의 4지점, 5지점, 6지점에 대한 레이저 유도파 신호를 물리적 유도파 신호로 변환하게 된다. 도 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 4지점, 5지점, 6지점에 대한 물리적 유도파 신호를 별도로 검출하여 유사도를 비교하는 도면이다. 도 10d에 도시된 바와 같이, 4지점에서의 유사도는 91%, 5지점에서의 유사도는 90%, 6지점에서의 유사도는 88%로 상당히 유사한 것을 확인할 수 있다.
그 후에, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 샘플의 모든 영역에 대해 레이저 유도파 신호를 검출하여 특정지점에서 찾아진 변환 모델을 레이저 유도파에 적용하여 시뮬레이션된 유도파를 생성한다. 그리고, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 물리적 유도파에 대한 전체적인 시뮬레이션 영상을 생성하게 된다.
도 10e는 본 발명의 일 실시예에 따른, 압전소자 가진파에 대한 시뮬레이션 영상을 도시한 도면이다. 도 10e의 (a)는 기존의 유한요소 해석을 이용한 시뮬레이션 영상이며, 도 10e의 (b)는 본 실시예에 따른 유도파 시뮬레이션 방법을 이용하여 생성한 시뮬레이션 영상이다. 도 10e에 도시된 바와 같이, 기존 방식보다, 본 실시예에 따른 유도파 시뮬레이션 방법을 이용하여 생성한 영상은 시뮬레이션 과정이 훨씬 빠르고 실험결과에 기반으로하기 때문에 더욱 정확하다고 할 수 있다. 무엇보다도 복잡한 형상에 적용이 가능해 진다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 압전소자 가진유도파를 레이저 유도파의 변환을 통해 동일한 파형으로 만들어 낼 수 있을 뿐만 아니라 전파를 영상화 할 수 있다. 또한, 본 실시예는 매우 복잡한 형상에서도 적용이 가능하기 때문에 압전센서를 이용하는 비파괴검사 및 구조건전성모니터링 분야에도 적용할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 실시예에 따르면, 기본 평판에서 수행된 훈련과정을 통해 볼트 체결 구조, 충격파흡수기 포함구조, 곡면 및 복잡 형상 구조 등에 대해 적용할 수 있으며, 같은 재료의 다른 두께, 예를 들어 2mm 두께 시편에서 획득된 물리적 유도파와 레이저 유도파의 훈련과정을 거쳐 3mm 두께의 경우 레이저 유도파 획득만으로 물리적 유도파를 정량적으로 예측하고 전파영상화를 수행할 수 있다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 30 mm 간격의 볼트와 너트의 체결 구조를 도시한 도면이다. 2 mm 두께 샘플에서 훈련된 시뮬레이션 장치(200)를 이용할 경우, 볼트와 너트의 체결 구조가 있다하더라도 체결구조에서의 임의의 지점(point 1,2,3)에서 유사도가 상당히 높은 유도파 시뮬레이션을 산출할 수 있다.
도 11b은 본 발명의 일 실시예에 따른, point 1,2,3에서의 실제 물리적 유도파와 시뮬레이션된 유도파를 비교한 도면이다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 point 1,2,3에 대해 75% 이상의 높은 유사도를 가지는 시뮬레이션된 유도파를 산출해낼 수 있음을 확인할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 유도파 시뮬레이션 장치(200)는 다양한 형태의 샘플에 대한 유도파 시뮬레이션을 수행할 수도 있게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 샘플 200 : 유도파 시뮬레이션 장치
210 : 레이저부 220 : 레이저 유도파 검출부
230 : 물리적 유도파 검출부 240 : 컴퓨터

Claims (9)

  1. 샘플의 특정 위치에서 발생된 물리적 유도파를 복수의 지점에서 검출하는 단계;
    상기 복수의 지점에 대응되는 레이저 유도파를 검출하는 단계;
    상기 물리적 유도파 및 상기 레이저 유도파를 이용하여 시뮬레이션된 레이저 유도파를 산출하는 단계;
    상기 시뮬레이션된 유도파와 상기 물리적 유도파의 유사도가 임계값 이상인 경우, 상기 산출단계에서 획득된 변환 모델을 저장하는 단계;
    상기 샘플의 특정 영역에 대해 일정 간격으로 각 지점별 레이저 유도파를 검출하는 단계; 및
    상기 저장된 변환모델을 이용하여, 상기 특정영역에서 획득된 레이저 유도파를 물리적 유도파와 유사성을 가진 시뮬레이션된 레이저 유도파를 산출하는 단계;를 포함하는 유도파 시뮬레이션 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모델을 이용하여 상기 물리적 유도파에 대한 영상을 생성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도파 시뮬레이션 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물리적 유도파는,
    상기 샘플의 특정 위치에서 발생된 충격 또는 폭발에 의해 발생된 충격 유도파 또는 폭발 유도파이거나, 또는 압전소자 가진파인 것을 특징으로 하는 유도파 시뮬레이션 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 물리적 유도파 검출단계는,
    가속도 센서, 압전센서, 및 레이저 진동 센서 중 적어도 하나로 상기 물리적 유도파를 검출하는 것을 특징으로 하는 유도파 시뮬레이션 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 유도파 검출단계는,
    유도파 시뮬레이션 장치를 이용하여 레이저 펄스를 특정 위치에 조사시키고 조사된 레이저 펄스에 의해 발생된 레이저 유도파를 물리적 유도파의 파원에서 검출하여, 상기 복수의 지점에 대응되는 레이저 유도파를 검출하는 것을 특징으로 하는 유도파 시뮬레이션 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유도파 시뮬레이션 장치는,
    레이저 펄스를 발생시켜 상기 특정 위치에 조사시키는 레이저부; 및
    상기 레이저 펄스에 의해 생성되는 레이저 유도파를 상기 물리적 유도파의 파원에서 검출하는 레이저 유도파 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도파 시뮬레이션 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시뮬레이션된 유도파 산출단계는,
    상기 물리적 유도파 및 상기 레이저 유도파를 K개의 밴드로 분할하는 단계;
    상기 K개의 밴드에 대해, 상기 물리적 유도파의 공간적인 감쇠(spatial attenuation) 곡선 및 상기 레이저 유도파의 공간적인 감쇠 곡선을 각각 산출하는 단계; 및
    상기 물리적 유도파의 공간적인 감쇠 곡선 및 상기 레이저 유도파의 공간적인 감쇠 곡선을 이용하여 밴드별로 적용하고 재결합하여 시뮬레이션된 유도파를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도파 시뮬레이션 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 변환모델 저장단계는,
    상기 복수의 지점에서 검출된 물리적 유도파와 상기 산출된 시뮬레이션된 유도파를 비교하여, 유사도가 임계값 이상인 경우 상기 산출단계에서 사용된 변환모델을 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도파 시뮬레이션 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 한 항의 유도파 시뮬레이션 방법을 이용하는 유도파 시뮬레이션 장치.
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