KR101391141B1 - 비선형 파라미터 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

비선형 파라미터 측정 장치 및 방법이 개시된다. 비선형 파라미터 측정 장치는 초음파 신호를 이용하여 피측정체의 비선형 파라미터를 측정하는 장치로서 피측정체의 일측에 연결되어 피측정체로 초음파 신호를 입사시키는 초음파 버퍼부와, 톤-버스트를 발생시켜 초음파 신호를 생성하는 초음파 생성부와, 초음파 버퍼부에 연결되고, 초음파 생성부에서 생성된 초음파 신호를 초음파 버퍼부에 입사시키는 탐촉자와, 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 피측정체로 입사되는 초음파 신호를 측정하는 입력 초음파 신호 측정부와, 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호를 측정하는 출력 초음파 신호 측정부와, 입력 초음파 신호 측정부 및 출력 초음파 신호 측정부에서 측정된 초음파 신호에 기초하여 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는 비선형 파라미터 산출부를 포함하여 구성된다. 따라서, 정확한 비선형 파라미터를 산출할 수 있다.

Description

비선형 파라미터 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING NONLINEAR PARAMETER}
본 발명은 피측정체의 비선형 파라미터를 측정하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피측정체의 비선형 파라미터를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
재료, 시편(specimen), 샘플(sample), 물체 등 피측정체의 비선형 파라미터(nonlinear parameter)는 탄성파(elastic wave)의 일종인 단일 주파수를 갖는 초음파(ultrasonic)를 이용하여 측정될 수 있다. 이는 탄성파의 비선형적 거동을 이용하는 것으로, 탄성파의 비선형적 특성은 부식, 피로 등 열화에 의한 피측정체의 미시구조적 변질을 평가할 수 있다.
구체적으로, 탄성파의 비선형적 특성은 단일 주파수를 갖는 탄성파가 피측정체를 통해 전파되면서 기본 주파수 성분 이외에 고조파 성분을 생성하는 것이다.
이러한 비선형적 특성을 이용한 비선형 파라미터의 측정은 피측정체로 전파된 신호의 기본 주파수 성분의 크기와 2차 고조파 성분의 크기를 측정하고, 기본 주파수 성분의 크기와 2 차 고조파 성분의 크기의 상대적인 비율을 산출함으로써 측정될 수 있고, 이 상대적인 비율을 비선형 파라미터(β)로 일반적으로 정의하며, 하기의 수학식 1로 표현된다.
Figure 112012107031964-pat00001
여기서, A1과 A2는 각각 1차(기본) 주파수 성분과 2차 고조파 성분의 진폭이며, k는 파수(wave number), x는 전파거리를 나타낸다. 또한, 1차 주파수 성분은 기본 주파수 성분과 동일한 주파수를 갖는 초음파 신호를 의미하며, 2차 고조파 성분은 기본 주파수의 2 배의 주파수를 갖는 고주파 성분의 초음파 신호를 의미한다.
도 1은 종래 기술에 따른 피측정체의 비선형 파라미터를 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도(도 1a)와 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호를 나타내는 그래프(도 1b)이다.
도 1을 참조하면, 단일 주파수 성분을 갖는 초음파 신호를 탐촉자(10)를 통하여 피측정체(20)에 입사시키면, 피측정체(20) 내부에 생성된 열화로 인하여 단일 주파수 성분을 갖는 초음파 신호 이외에 상기 단일 주파수 성분의 2 차 고조파 성분을 갖는 초음파 신호가 초음파 출력으로 탐촉자(30)에서 검출된다.
탐촉자에서 검출된 신호를 보면, 진폭이 A1이고, 주파수가 f0인 기본 주파수 성분과, 진폭이 A2이고, 주파수가 2f0인 2 차 고조파 성분이 검출된다. 따라서, 상술한 수학식 1을 이용하여 비선형 파라미터(β)를 산출할 수 있으며, 열화가 발생된 전후의 비선형 파라미터를 측정하여 비교함으로써 피측정체의 열화 정도를 평가할 수 있다.
그러나, 상술한 비선형 파라미터(β)는 피측정체에 의해 발생되는 고조파 성분만이 고려되어야 하지만 실제 측정시 피측정체에 의해 발생되는 고조파 성분뿐만 아니라 탐촉자를 포함하는 전기적인 시스템 등에 의해 발생된 고조파 성분들까지도 비선형 파라미터의 측정에 포함될 수 있어, 정확한 비선형 파라미터의 측정에 어려움이 있다.
예를 들어, 탐촉자가 피측정체에 접촉시키는 접촉식 탐촉자인 경우, 탐촉자와 피측정체 사이에 일정하지 않은 접촉 압력으로 인한 불필요한 파장이 발생될 수 있고, 이에 따른 비선형성분이 발생되어 피측정체의 비선형 파라미터의 정밀한 측정이 어렵다.
따라서, 피측정체가 갖는 비선형성 이외에 상술한 문제로 인해 발생되는 비선형성분의 추가로 피측정체의 정밀한 비선형성을 측정할 수 없는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 피측정체의 비선형 파라미터를 정밀하게 측정할 수 있는 비선형 파라미터 측정 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 피측정체의 비선형 파라미터를 정밀하게 측정할 수 있는 비선형 파라미터 측정 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치는, 초음파 신호를 이용하여 피측정체의 비선형 파라미터(nonlinear parameter)를 측정하는 장치로서, 상기 피측정체의 일측에 연결되어 상기 피측정체로 상기 초음파 신호를 입사시키는 초음파 버퍼부와, 톤-버스트(tone-burst)를 발생시켜 상기 초음파 신호를 생성하는 초음파 생성부와, 상기 초음파 버퍼부에 연결되고, 상기 초음파 생성부에서 생성된 상기 초음파 신호를 상기 초음파 버퍼부에 입사시키는 탐촉자와, 상기 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정하는 입력 초음파 신호 측정부와, 상기 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정하는 출력 초음파 신호 측정부와, 상기 입력 초음파 신호 측정부 및 출력 초음파 신호 측정부에서 측정된 상기 초음파 신호에 기초하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는 비선형 파라미터 산출부를 포함한다.
또한, 상기 초음파 버퍼부는, 상기 초음파 신호를 상기 피측정체에 평면파(plane wave)로 입사시키고, 상기 입력 초음파 신호 측정부로부터 조사된 레이저를 투과시킬 수 있다.
또한, 상기 초음파 버퍼부는, 상기 초음파 신호 및 상기 입력 초음파 신호 측정부로부터 입사된 레이저를 상기 피측정체의 입사면에 수직하게 입사시킬 수 있다. 또한, 상기 초음파 버퍼부는, 상기 초음파 신호 및 상기 입력 초음파 신호 측정부로부터 입사된 레이저를 상기 피측정체의 입사면에 경사지게 입사시킬 수 있다.
여기서, 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호는, 상기 초음파 신호의 기본 주파수 성분 및 입사 고조파 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 입력 초음파 신호 측정부는, 상기 초음파 신호가 상기 피측정체로 입사되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정할 수 있다.
여기서, 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호는, 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호의 기본 주파수 성분, 상기 기본 주파수 성분에 대한 2차 고조파 성분, 상기 초음파 신호의 입사 고조파 성분 및 상기 입사 고조파 성분에 대한 2 차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 출력 초음파 신호 측정부는, 상기 초음파 신호가 상기 피측정체로부터 출력되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정할 수 있다.
또한, 상기 비선형 파라미터 산출부는, 상기 입력 초음파 신호 측정부에서 측정된 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호의 입사 고조파 성분을 고려하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 방법은, 초음파 신호를 이용하여 피측정체의 비선형 파라미터(nonlinear parameter)를 측정하는 방법으로, 톤-버스트(tone-burst)를 발생시켜 상기 초음파 신호를 생성하는 단계와, 상기 피측정체의 일측에 연결된 초음파 버퍼부에 상기 초음파 신호를 입사시키는 단계와, 상기 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정하는 단계와, 상기 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정하는 단계와, 측정된 상기 피측정체로 입사되는 초음파 신호 및 측정된 상기 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호에 기초하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호는, 평면파(plane wave)로 입사될 수 있다.
여기서, 상기 초음파 신호 및 상기 레이저는, 상기 피측정체의 입사면에 수직하게 입사될 수 있다.
또한, 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호는, 상기 초음파 신호의 본 주파수 성분 및 입사 고조파 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정하는 단계는, 상기 초음파 신호가 상기 피측정체로 입사되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정할 수 있다.
여기서, 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호는, 상기 초음파 신호의 기본 주파수 성분, 상기 기본 주파수 성분에 대한 2차 고조파 성분, 상기 초음파 신호의 입사 고조파 성분 및 상기 입사 고조파 성분에 대한 2 차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정하는 단계는, 상기 초음파 신호가 상기 피측정체로부터 출력되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정할 수 있다.
또한, 상기 측정된 상기 피측정체로 입사되는 초음파 신호 및 측정된 상기 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호에 기초하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는 단계는, 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호의 입사 고조파 성분을 고려하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 비선형 파라미터 측정 장치 및 방법에 따르면, 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 피측정체로 입사되는 초음파 신호를 측정하고, 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호를 측정하여 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하므로, 정확한 비선형 파라미터를 산출할 수 있다.
구체적으로, 비선형 파라미터의 측정에 포함될 수 있는 탐촉자를 포함하는 전기적 시스템 등에 의해 발생되는 피측정체에 입력될 수 있는 고조파 성분을 측정하고, 이를 비선형 파라미터의 산출시에 고려함으로써 피측정체의 열화로 인해 발생되는 고조파 성분만을 고려할 수 있어 정밀한 비선형 파라미터의 측정이 가능하다.
또한, 레이저를 이용하여 피측정체로 입력 또는 출력되는 초음파 신호를 측정함으로써, 접촉식 탐촉자와 피측정체 사이에 일정하지 않은 접촉 압력으로 인해 발생되는 불필요한 파장의 발생을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 피측정체의 비선형 파라미터를 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도(도 1a)와 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호를 나타내는 그래프(도 1b)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정을 위한 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 비선형 파라미터 측정 장치의 초음파 버퍼부의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 비선형 파라미터 측정 장치(100)는 피측정체(110)에 단일 주파수의 초음파 신호를 입사하고, 피측정체(110)를 통해 출력되는 초음파 신호를 검출하고, 피측정체(110)에 입사되고, 피측정체(110)로부터 출력되는 초음파 신호를 모두 고려하여 비선형 파라미터를 산출함으로써 정확한 비선형 파라미터를 측정할 수 있고, 비선형 파라미터 측정 장치(100)는 초음파 버퍼부(120), 초음파 생성부(130), 탐촉자(140), 입력 초음파 신호 측정부(150), 출력 초음파 신호 측정부(160) 및 비선형 파라미터 산출부(180)을 포함하여 구성된다.
초음파 버퍼부(120)는 피측정체(110)의 일측에 연결되어 피측정체(110)로 초음파 신호를 입사시킬 수 있다. 또한, 초음파 버퍼부(120)는 초음파 신호를 피측정체(110)에 평면파(plane wave)로 입사시키고, 후술할 입력 초음파 신호 측정부(150)로부터 조사된 레이저를 투과 및/또는 반사시킬 수 있다.
또한, 초음파 버퍼부(120)는 초음파 신호 및 후술할 입력 초음파 신호 측정부(150)로부터 입사된 레이저를 피측정체(110)의 입사면에 수직하게 입사시킬 수 있다.
또한, 초음파 버퍼부(120)는 초음파 및 레이저를 투과 및/또는 반사시킬 수 있는 재질로 구성될 수 있고, 구체적으로, 투명 플라스틱, 유리, 투명한 액체(예를 들어, 물) 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
초음파 생성부(130)는 고출력의 톤-버스트(tone-burst)를 발생시켜 초음파 신호를 생성할 수 있다.
탐촉자(140)는 초음파 버퍼부(120)에 연결되고, 초음파 생성부(130)와 연결되어, 초음파 생성부(130)에서 생성된 초음파 신호를 초음파 버퍼부(120)에 입사시킬 수 있다.
입력 초음파 신호 측정부(150)는 초음파 버퍼부(120)에 레이저를 조사하여 피측정체(110)로 입사되는 초음파 신호를 측정할 수 있다. 구체적으로, 입력 초음파 신호 측정부(150)는 초음파 버퍼부(120)를 통과한 초음파 신호가 피측정체(110)로 입사되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 피측정체(110)로 입사되는 초음파 신호를 측정할 수 있다.
여기서, 피측정체(110)로 입사되는 초음파 신호는 초음파 신호의 기본 주파수 성분 및 입사 고조파 성분을 포함할 수 있다. 상기 입사 고조파 성분은 기본 주파수 성분 이외의 고조파 성분을 갖는 초음파로서 탐촉자를 포함하는 전기적인 시스템 등에 의해 발생된 고조파 성분들일 수 있고, 피측정체에 입사되는 고조파 성분을 의미할 수 있다.
예를 들어, 탐촉자가 피측정체에 접촉시키는 접촉식 탐촉자인 경우, 탐촉자와 피측정체 사이에 일정하지 않은 접촉 압력으로 인한 불필요한 파장이 발생되어 피측정체에 입력될 수 있는데, 이는 상술한 입사 고조파 성분이다.
출력 초음파 신호 측정부(160)는 피측정체(110)의 타측에 레이저를 조사하여 피측정체(110)로부터 출력되는 초음파 신호를 측정할 수 있다. 구체적으로, 출력 초음파 신호 측정부(160)는 초음파 신호가 피측정체(110)로부터 출력되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 피측정체(110)로부터 출력되는 초음파 신호를 정밀하게 측정할 수 있다.
여기서, 피측정체(110)로부터 출력되는 초음파 신호는 피측정체(110)로부터 출력되는 초음파 신호의 기본 주파수 성분, 기본 주파수 성분에 대한 2차 고조파 성분, 초음파 신호의 입사 고조파 성분 및 입사 고조파 성분에 대한 2 차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
비선형 파라미터 산출부(170)는 입력 초음파 신호 측정부(150) 및 출력 초음파 신호 측정부(160)에서 측정된 초음파 신호에 기초하여 피측정체(110)의 비선형 파라미터를 산출할 수 있다.
여기서, 비선형 파라미터 산출부(170)는 입력 초음파 신호 측정부(150)에서 측정된 피측정체(110)로 입사되는 초음파 신호의 입사 고조파 성분을 고려하여 피측정체(110)의 비선형 파라미터를 산출할 수 있다.
이하, 비선형 파라미터 산출부(170)가 피측정체(110)로 입사되는 초음파 신호의 입사 고조파 성분을 고려하여 비선형 파라미터를 산출하는 방법을 구체적으로 설명한다.
감쇠가 고려되는 비선형 음파 방정식은 하기의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112012107031964-pat00002
상기의 수학식 2에서
Figure 112012107031964-pat00003
부분은 선형 음파 방정식(linear wave equation)을 나타낸다. 또한,
Figure 112012107031964-pat00004
부분은 비선형(nonlinear) 성분을 나타내며,
Figure 112012107031964-pat00005
부분은 감쇠(attenuation) 성분을 나타낸다. 또한 U는 시간 t, 위치 x에서의 파동의 진폭 함수를 의미한다.
피측정체(110)로 입사되는 초음파 신호의 입사 고조파 성분을 고려하여 비선형 파라미터를 산출하기 위해서, 하기의 수학식 3과 같이 파동의 진폭 함수 U(x,t)를 U1과 U2의 합으로 가정한다.
Figure 112012107031964-pat00006
여기서, U(x,t)는 시간 t, 위치 x에서의 파동의 진폭 함수 U(x,t)를 의미하며, U1은 피측정체(110)로 입력되는 초음파 신호의 기본 주파수 성분이 피측정체(110)를 통과하여 피측정체(110)로부터 출력되는 신호로서, U1은 초음파 신호의 기존 주파수 성분과 상기 기본 주파수 성분의 2차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
또한, U2는 피측정체(110)로 입력되는 초음파 신호의 입사 고조파 성분이 피측정체(110)를 통과하여 피측정체(110)로부터 출력되는 신호로서, U2는 초음파 신호의 입사 고조파 성분과 상기 입사 고조파 성분의 2차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
여기서, 초음파 신호의 입사 고조파 성분은 기본 주파수 성분 이외의 고조파 성분을 갖는 초음파로서 탐촉자를 포함하는 전기적인 시스템 등에 의해 발생된 고조파 성분들로, 피측정체(110)에 입사되는 고조파 성분을 의미할 수 있다.
이하 도 3을 참고로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정을 위한 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 초음파 버퍼부에서 피측정체로 입사되는 초음파 신호는 기본 주파수 성분(
Figure 112012107031964-pat00007
)과 입사 고조파 성분(
Figure 112012107031964-pat00008
)을 포함한다.
또한, 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호는 초음파 버퍼부에서 입사된 초음파 신호의 기본 주파수 성분과 입사 고조파 성분에 대한 각각의 고조파 성분이 출력된다. 구체적으로, 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호를 살펴보면, 초음파 신호의 기본 주파수 성분(
Figure 112012107031964-pat00009
), 상기 기본 주파수 성분의 2차 고조파 성분(
Figure 112012107031964-pat00010
), 초음파 신호의 입사 고조파 성분(
Figure 112012107031964-pat00011
) 및 상기 입사 고조파 성분의 2차 고조파 성분(
Figure 112012107031964-pat00012
)을 포함할 수 있다.
따라서, 피측정체로부터 출력되는 신호는 하기의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112012107031964-pat00013
여기서,
Figure 112012107031964-pat00014
부분은 기본 주파수 성분과 상기 기본 주파수 성분의 2 차 고조파 성분을 나타내며,
Figure 112012107031964-pat00015
부분은 초음파 신호의 입사 고조파 성분과 상기 입사 고조파 성분의 2 차 고조파 성분을 나타낸다.
여기서, 초음파 신호의 입사 고조파 성분의 진폭은 하기의 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112012107031964-pat00016
그리고, 초음파 신호의 입사 고조파 성분의 크기는 하기의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure 112012107031964-pat00017
또한, 비선형 파라미터를 산출하기 위해 상기의 수학식 6을 정리하면, 하기의 수학식 7로 나타낼 수 있다.
Figure 112012107031964-pat00018
상기의 수학식 7과 상기의 수학식 1을 비교하면, 수학식 1의 종래의 비선형 파라미터는 피측정체로 입사되는 초음파의 기본 주파수 성분만을 고려하므로, 실제로 피측정체에 입사되는 전기적인 시스템 등에 의해 발생된 입사 고조파 성분을 고려하지 못하여 상기 입사 고조파 성분은 피측정체의 열화로 인해 발생되는 고조파 성분으로 취급되어 비선형 파라미터를 정확하게 측정할 수 없다.
한편, 수학식 7의 비선형 파라미터는 초음파의 입사 고조파 성분(
Figure 112012107031964-pat00019
)을 고려하므로 상기의 수학식 1에서 언급된 종래의 비선형 파라미터보다 정확하게 비선형 파라미터의 산출이 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 비선형 파라미터 측정 장치(100)는 초음파 버퍼부(120), 초음파 생성부(130), 탐촉자(140), 입력 초음파 신호 측정부(150), 출력 초음파 신호 측정부(160) 및 비선형 파라미터 산출부(170)를 포함하여 구성된다.
초음파 버퍼부(120)는 피측정체(110)의 일측에 연결되어 피측정체(110)로 초음파 신호를 입사시킬 수 있다. 또한, 초음파 버퍼부(120)는 초음파 신호를 피측정체(110)에 평면파(plane wave)로 입사시키고, 입력 초음파 신호 측정부(150)로부터 조사된 레이저를 투과 및/또는 반사시켜 레이저를 초음파 신호가 입사되는 피측정체(110)의 입사면에 수직 또는 경사지게 입사시킬 수 있다.
또한, 초음파 버퍼부(120)는 초음파 및 레이저를 투과 및/또는 반사시킬 수 있는 재질로 구성될 수 있고, 구체적으로, 투명 플라스틱, 유리, 투명한 액체(예를 들어, 물) 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 6은 본 발명의 비선형 파라미터 측정 장치의 초음파 버퍼부의 구성을 나타내는 예시도이며, 초음파 버퍼부(120)의 형상은 상기 도 4 및 도 5에 도시된 형상 외에 초음파 신호 및 레이저를 피측정체(110)의 입사면에 수직 또는 경사지게 입사시킬 수 있는 다양한 형상이 될 수 있다. 예를 들어, 초음파 버퍼부(120)는 다각형이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
초음파 생성부(130), 탐촉자(140), 입력 초음파 신호 측정부(150), 출력 초음파 신호 측정부(160) 및 비선형 파라미터 산출부(170)는 상기 도 2에서의 설명과 중복되므로 생략한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 파라미터 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 비선형 파라미터 측정 방법은 피측정체에 단일 주파수의 초음파 신호를 입사하고, 피측정체를 통해 출력되는 초음파 신호를 검출하고, 피측정체에 입사되고, 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호를 모두 고려하여 비선형 파라미터를 산출함으로써 정확한 비선형 파라미터를 측정할 수 있다.
구체적으로, 단계 S100에서 고출력의 톤-버스트(tone-burst)를 발생시켜 초음파 신호를 생성할 수 있다.
다음으로, 단계 S110에서 피측정체의 일측에 연결된 초음파 버퍼부에 초음파 신호를 입사시킬 수 있다.
다음으로, 단계 S120에서 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 피측정체로 입사되는 초음파 신호를 측정할 수 있다. 구체적으로, 초음파 신호가 피측정체로 입사되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 피측정체로 입사되는 초음파 신호를 측정할 수 있다. 여기서, 피측정체로 입사되는 초음파 신호와 레이저는 피측정체의 입사면에 수직하게 입사될 수 있다.
또한, 피측정체로 입사되는 초음파 신호는 평면파(plane wave)로 입사될 수 있고, 피측정체로 입사되는 초음파 신호는 초음파 신호의 기본 주파수 성분 및 입사 고조파 성분을 포함할 수 있다.
다음으로, 단계 S130에서 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호를 측정할 수 있다. 구체적으로, 초음파 신호가 피측정체로부터 출력되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호를 측정할 수 있다. 여기서, 피측정체의 타측에 조사되는 레이저는 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호의 출사면에 수직하게 입사될 수 있다.
또한, 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호는 초음파 신호의 기본 주파수 성분, 기본 주파수 성분에 대한 2차 고조파 성분, 초음파 신호의 입사 고조파 성분 및 입사 고조파 성분에 대한 2 차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
다음으로, 단계 S140에서 측정된 피측정체로 입사되는 초음파 신호 및 측정된 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호에 기초하여 피측정체의 비선형 파라미터를 산출할 수 있다. 즉, 피측정체로 입사되는 초음파 신호의 입사 고조파 성분을 고려하여 피측정체의 비선형 파라미터를 산출할 수 있다.
비선형 파라미터를 산출하는 구체적인 내용은 상기 도 2에서의 설명과 중복되므로 생략한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 비선형 파라미터 측정 장치 110: 피측정체
120: 초음파 버퍼부 130: 초음파 생성부
140: 탐촉자 150: 입력 초음파 신호 측정부
160: 출력 초음파 신호 측정부 170: 비선형 파라미터 산출부

Claims (17)

  1. 초음파 신호를 이용하여 피측정체의 비선형 파라미터(nonlinear parameter)를 측정하는 장치로서,
    상기 피측정체의 일측에 연결되어 상기 피측정체로 상기 초음파 신호를 입사시키는 초음파 버퍼부;
    톤-버스트(tone-burst)를 발생시켜 상기 초음파 신호를 생성하는 초음파 생성부;
    상기 초음파 버퍼부에 연결되고, 상기 초음파 생성부에서 생성된 상기 초음파 신호를 상기 초음파 버퍼부에 입사시키는 탐촉자;
    상기 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정하는 입력 초음파 신호 측정부;
    상기 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정하는 출력 초음파 신호 측정부; 및
    상기 입력 초음파 신호 측정부 및 출력 초음파 신호 측정부에서 측정된 상기 초음파 신호에 기초하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는 비선형 파라미터 산출부를 포함하는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 버퍼부는,
    상기 초음파 신호를 상기 피측정체에 평면파(plane wave)로 입사시키고, 상기 입력 초음파 신호 측정부로부터 조사된 레이저를 투과시키는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 버퍼부는,
    상기 초음파 신호 및 상기 입력 초음파 신호 측정부로부터 입사된 레이저를 상기 피측정체의 입사면에 수직하게 입사시키는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 버퍼부는,
    상기 초음파 신호 및 상기 입력 초음파 신호 측정부로부터 입사된 레이저를 상기 피측정체의 입사면에 경사지게 입사시키는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호는,
    상기 초음파 신호의 기본 주파수 성분 및 입사 고조파 성분을 포함하는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입력 초음파 신호 측정부는,
    상기 초음파 신호가 상기 피측정체로 입사되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정하는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호는,
    상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호의 기본 주파수 성분, 상기 기본 주파수 성분에 대한 2차 고조파 성분, 상기 초음파 신호의 입사 고조파 성분 및 상기 입사 고조파 성분에 대한 2 차 고조파 성분을 포함하는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 출력 초음파 신호 측정부는,
    상기 초음파 신호가 상기 피측정체로부터 출력되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정하는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 파라미터 산출부는,
    상기 입력 초음파 신호 측정부에서 측정된 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호의 입사 고조파 성분을 고려하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는, 비선형 파라미터 측정 장치.
  10. 초음파 신호를 이용하여 피측정체의 비선형 파라미터(nonlinear parameter)를 측정하는 방법으로,
    톤-버스트(tone-burst)를 발생시켜 상기 초음파 신호를 생성하는 단계;
    상기 피측정체의 일측에 연결된 초음파 버퍼부에 상기 초음파 신호를 입사시키는 단계;
    상기 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정하는 단계;
    상기 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정하는 단계; 및
    측정된 상기 피측정체로 입사되는 초음파 신호 및 측정된 상기 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호에 기초하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는 단계를 포함하는, 비선형 파라미터 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호는,
    평면파(plane wave)로 입사되는, 비선형 파라미터 측정 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 초음파 신호 및 상기 레이저는,
    상기 피측정체의 입사면에 수직하게 입사되는, 비선형 파라미터 측정 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호는,
    상기 초음파 신호의 기본 주파수 성분 및 입사 고조파 성분을 포함하는, 비선형 파라미터 측정 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 초음파 버퍼부에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정하는 단계는,
    상기 초음파 신호가 상기 피측정체로 입사되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호를 측정하는, 비선형 파라미터 측정 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호는,
    상기 초음파 신호의 기본 주파수 성분, 상기 기본 주파수 성분에 대한 2차 고조파 성분, 상기 초음파 신호의 입사 고조파 성분 및 상기 입사 고조파 성분에 대한 2 차 고조파 성분을 포함하는, 비선형 파라미터 측정 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 피측정체의 타측에 레이저를 조사하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정하는 단계는,
    상기 초음파 신호가 상기 피측정체로부터 출력되는 면의 변위를 레이저로 측정하여 상기 피측정체로부터 출력되는 상기 초음파 신호를 측정하는, 비선형 파라미터 측정 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 측정된 상기 피측정체로 입사되는 초음파 신호 및 측정된 상기 피측정체로부터 출력되는 초음파 신호에 기초하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는 단계는,
    상기 피측정체로 입사되는 상기 초음파 신호의 입사 고조파 성분을 고려하여 상기 피측정체의 비선형 파라미터를 산출하는, 비선형 파라미터 측정 방법.
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