KR101452442B1 - 탄성계수 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 탄성계수 측정방법은, 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신하는 단계; 상기 피검사체 내부에서 반사 또는 투과되는 초음파 신호를 수신하는 단계; 수신된 상기 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계; 및 상기 전파 속도와 비선형 파라미터의 정보를 기초로 하여 탄성계수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 의한 탄성계수 측정방법은, 초음파 신호의 정보를 기초로 하여 피검사체의 선형 탄성계수 뿐만 아니라 비선형 탄성계수도 정확히 추정할 수 있고 재료의 물성치나 열화 여부 등 재료 상태를 정밀하게 진단할 수 있다.

Description

탄성계수 측정 방법{Elasticity Test method}
본 발명은 탄성계수 측정 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 초음파 신호를 이용하여 선형/비선형 탄성계수를 산출하여 피검사체의 인장 곡선을 재현하는 탄성계수 측정 방법에 관한 것이다.
철강, 자동차 부품, 전자 부품뿐만 아니라 디스플레이용 유리, 비금속 가공물 등의 제조 산업 전반에서는 제품을 제조한 다음, 제품이 출하되기 전에 품질관리 또는 검사 공정을 필수적으로 수행한다. 품질관리를 통해, 제품의 균열이나 흠, 제품 내부의 공동 여부 또는 내부 부품이 완조립 상태 및 안전성 여부 등 여러 가지 결함들을 판별할 수 있다.
검사 방법 중, 비파괴 검사(Non-Destructive Testing, NDT)라 불리는 검사 방법은, 제품을 분해하거나 해체하지 아니하면서, 제품의 결함 여부를 검사할 수 있어, 일반적으로 널리 사용되고 있다.
특히, 선형 초음파를 이용한 비파괴 검사 방법은 피검사체에 초음파를 주사하고 초음파의 전파 속도를 측정하여 검사하는 방법으로서, 재료의 선형 탄성계수와 전파 속도 간의 대응 관계를 이용하여 재료의 물성을 평가할 수 있다.
그러나 국부적인 변화, 열화 또는 소성 변형 등 재료의 미시적 특성이 변경되는 경우에 재료는 비선형 거동을 동반하는데, 종래의 선형 초음파를 이용한 비파괴 검사 방법은, 선형 탄성계수만 고려하고 있기 때문에 재료의 거동을 정확하게 측정하지 못하는 문제점이 있다. 이로 인해, 재료의 물성치나 열화 여부 등 재료 상태를 정밀하게 진단하지 못하는 문제가 있게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 초음파 신호의 정보를 기초로 하여 피검사체의 선형 탄성계수 뿐만 아니라 비선형 탄성계수도 정확히 산출할 수 있고 재료의 물성치나 열화 여부 등 재료 상태를 정밀하게 진단할 수 있는 탄성계수 측정 방법을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 탄성계수 측정 방법은, 피검사체 내부로 초음파 신호를 송신하는 단계; 상기 피검사체 내부에서 반사 또는 투과되는 초음파 신호를 수신하는 단계; 수신된 상기 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계; 및 상기 전파 속도와 비선형 파라미터의 정보를 기초로 하여 탄성계수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄성계수로부터 인장 곡선을 재현하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 신호를 송신하는 단계는, 종파 탐촉자 및 횡파 탐촉자에서 상기 피검사체로 각각 종파와 횡파의 초음파 신호를 각각 발생시키고, 기본파 탐촉자에서 상기 피검사체로 기본 주파수의 초음파 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 전파 속도를 구하는 단계는 상기 피검사체를 투과한 종파의 초음파 신호와 횡파의 초음파 신호 시간 간격을 측정하여 계산될 수 있다.
상기 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계는, 수신된 초음파 신호의 시간 간격으로부터 전파 속도를 구하는 단계; 및 수신된 초음파 신호의 기본파와 고차 고조파의 크기성분의 정보를 이용하여 비선형 파라미터를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 비선형 파라미터를 계산하는 단계는, 수신된 상기 초음파 신호의 기본파 크기성분과 2차 고조파 크기성분으로부터 1차 비선형 파라미터를 구하는 단계; 및 수신된 상기 초음파 신호의 기본파 크기성분과 3차 고조파 크기성분으로부터 2차 비선형 파라미터를 구하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 초음파 신호를 수신하는 단계는, 기본 주파수의 종파와 횡파의 초음파 신호를 수신하는 단계; 및 상기 피검사체를 통과한 고차 고조파의 종파와 횡파신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄성계수를 산출하는 단계는, 계산된 상기 전파 속도로부터 선형 탄성계수를 구하는 단계; 및 상기 선형 탄성계수와 상기 비선형 파라미터로부터 비선형 탄성계수를 구하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 탄성계수 측정 방법은, 초음파 신호의 정보를 기초로 하여 피검사체의 선형 탄성계수 뿐만 아니라 비선형 탄성계수도 정확히 산출할 수 있고 재료의 물성치나 열화 여부 등 재료 상태를 정밀하게 진단할 수 있다.
또한, 기존의 파괴검사법의 대체를 통해 시간과 경비가 대폭 절감되는 효과를 얻을 수 있으며, 내구성 평가, 신뢰성 평가 등에 대한 데이터베이스화에 활용할 수 있다.
또한, 정밀하게 진단된 재료 상태로부터 산업 구조물 및 첨단 소재 내의 잠재적 파손 위험성을 사전에 측정하고 진단함으로써 제품의 고장이나 파손을 예방할 수 있다.
도 1은 선형/비선형 탄성계수를 나타낸 응력과 변형율 관계 곡선을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄성계수 측정 방법의 순서도이다.
도 3은 도 2에서 단일 주파수의 초음파 신호를 피검사체에 송신하는 단계의 순서도이다.
도 4는 도 2에서 피검사체 내부에서 반사 또는 투과되는 초음파 신호를 수신하는 단계의 순서도이다.
도 5는 도 2에서 수신된 상기 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계의 순서도이다.
도 6은 도 5에서 비선형 파라미터를 산출하는 단계의 순서도이다.
도 7은 도 2에서 전파 속도와 비선형 파라미터의 정보를 기초로 하여 탄성계수를 산출하는 단계의 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 탄성계수 측정 방법의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 선형/비선형 탄성계수를 나타낸 응력과 변형률 관계 곡선을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄성계수 측정 방법의 순서도이고, 도 3은 도 2에서 단일 주파수의 초음파 신호를 피검사체에 송신하는 단계의 순서도이고, 도 4는 도 2에서 피검사체 내부에서 반사 또는 투과되는 초음파 신호를 수신하는 단계의 순서도이고, 도 5는 도 2에서 수신된 상기 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계의 순서도이고, 도 6은 도 5에서 비선형 파라미터를 산출하는 단계의 순서도이며, 도 7은 도 2에서 전파 속도와 비선형 파라미터의 정보를 기초로 하여 탄성계수를 산출하는 단계의 순서도이다.
본 발명에 의한 탄성계수 측정 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신하는 단계(S100)와, 피검사체 내부에서 반사 또는 투과되는 초음파 신호를 수신하는 단계(S110)와, 수신된 상기 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계(S120)와, 전파 속도와 비선형 파라미터의 정보를 기초로 하여 탄성계수를 산출하는 단계(S130)와, 탄성계수로부터 인장 곡선을 재현하는 단계(S140)를 포함한다.
일반적으로 고체에서의 탄성파의 전파 속도는 전파하는 매질의 물성, 즉 탄성계수(E), 밀도(ρ), 그리고 푸아송 비(υ)로부터 결정된다. 따라서 탄성파의 전파 속도를 측정함으로써 전파매질의 탄성계수를 구할 수 있다. 재료의 선형 탄성계수와 전파 속도 간의 관계식은 [수학식 1]로 나타난다.
Figure 112013065719219-pat00001
[수학식 1]
(CS, CL: 각각 횡파와 종파의 전파 속도, ρ : 재료 밀도)
여기서 구해지는 탄성계수는 선형 탄성계수이며, 재료의 미시적 특성이 변화하는 경우를 평가할 수는 없다. 재료가 국부적으로 변화되거나, 열화 또는 소성 변형되는 경우에 재료는 비선형 거동을 동반하게 되고, 이에 따라 선형 탄성계수는 맞지 않게 된다. 종래에는 인장 시험 등 실제 실험을 통해 재료의 물성치에 대한 정보를 얻을 수 밖에 없었다.
현재 알려진 바로는, 고체 재료의 비선형 거동 특성은 물리적으로 재료 내 원자간 간격에 따라 작용 응력이 비선형적 거동을 하기 때문으로 알려져 있다. 이에 따라, 실제 고체 재료의 원자간 에너지는 조화 특성을 갖지 못하고 비조화 특성을 나타낸다. 이럴 경우, 일정한 주파수를 갖는 사인파형의 초음파가 충분한 진폭을 갖고 비조화 특성을 갖는 고체 매질 내를 전파할 경우 기본 입사 주파수를 갖는 초음파는 재료의 비선형 탄성 특성에 따라서 국부적인 위상 속도의 차이로 인해 왜곡 현상이 발생하게 되고, 따라서 기본 주파수의 정수 배에 해당하는 고차 조화 성분이 발생한다.
본 발명은 선형 초음파 측정 기법을 통해 2차 탄성계수(E)를 산출하고, 비선형 초음파 측정 기법을 통해 비선형 파라미터를 계산하여 비선형 탄성계수를 산출한 다음, 인장 곡선을 정밀하게 재현하는 기술을 개시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 응력-변형률 곡선은 탄성 변형 구간과 소성 변형 구간을 포함한다. 응력-변형률 곡선은 [수학식 2]과 [수학식 3]으로 표현된다.
Figure 112013065719219-pat00002
[수학식 2]
Figure 112013065719219-pat00003
[수학식 3]
여기서,
Figure 112013065719219-pat00004
의 관계가 있다.
조화파 성분의 크기 변화를 알아내면 재료의 미시적 특성 변화를 평가할 수 있다. 단일 주파수의 기본파의 진폭 크기를 A1 이라 하고, 수신된 2차 고조파의 크기를 A2 라고 할 경우 1차 비선형 파라미터(β)는 [수학식 4]와 같이 정리된다.
Figure 112013065719219-pat00005
[수학식 4]
기본파의 진폭 크기를 A1 이라 하고 3차 고조파의 크기를 A3 라 하면 2차 비선형 파라미터(
Figure 112013065719219-pat00006
)는 [수학식 5]와 같이 표현된다.
Figure 112013065719219-pat00007
[수학식 5]
이와 같이, 선형 초음파 측정 기법을 통해 2차 탄성계수(E)를 산출하고, 비선형 초음파 측정 기법을 통해, 즉, 기본파와 고차 고조파의 크기성분으로부터1차 비선형 파라미터(
Figure 112013065719219-pat00008
), 2차 비선형 파라미터(
Figure 112013065719219-pat00009
)를 계산함으로써 3차 탄성계수(F), 4차 탄성계수(G)를 산출할 수 있어, 결론적으로 실제 인장 곡선에 정밀하게 근사된 모델링을 할 수 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하여 이러한 이론 전개를 바탕으로, 탄성계수 측정방법에 대해 일련적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 단일 주파수의 초음파 신호를 피검사체에 송신한다.(S100) 초음파를 송신하는 단계는, 종파 탐촉자 및 횡파 탐촉자에서 피검사체로 각각 종파와 횡파의 초음파 신호를 각각 발생시키는 단계(S101)와, 기본파 탐촉자에서 피검사체로 기본 주파수의 초음파 신호를 발생시키는 단계(S102)를 포함한다. 여기서, 종파와 횡파의 초음파 신호를 송신하는 것은 피검사체의 선형 탄성계수를 알기 위함이고, 기본 주파수의 초음파 신호를 송신하는 것은 비선형 탄성계수를 알기 위함이다.
이후, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 피검사체를 반사하거나 투과된 초음파 신호를 수신한다.(S110) 여기서, 기본 주파수의 종파와 횡파의 초음파 신호를 수신하고(S111), 피검사체를 통과한 고차 고조파의 종파와 횡파신호를 수신하게 된다.(S112) 고차 고조파는 기본 주파수의 기본파의 크기성분(A1) 을 포함하여, 2차 고조파(A2) 및 3차 고조파의 크기성분(A3) 을 수신한다.
다음으로, 도 2, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 수신된 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계를 수행한다.(S120) 먼저, 종파와 횡파의 시간 간격을 통해 전파 속도를 구한다.(S121) 또한, 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리하여 비선형 파라미터를 계산하는 단계를 거친다.(S122)
특히, 비선형 파라미터를 구하는 단계(S122)는, 수신된 초음파 신호의 기본파 크기성분과 2차 고조파 크기성분으로부터 1차 비선형 파라미터를 구하는 단계(S123)와, 수신된 상기 초음파 신호의 기본파 크기성분과 3차 고조파 크기성분으로부터 2차 비선형 파라미터를 구하는 단계(S124)를 포함한다. 1차 비선형 파라미터와 2차 비선형 파라미터는 각각 [수학식4]와 [수학식 5]을 이용할 수 있다.
이후, 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 선형 탄성계수(E)와 비선형 파라미터(
Figure 112013065719219-pat00010
)를 통해 비선형 탄성계수(F, G)를 산출한다.(S130) 선형 탄성계수는 횡파와 종파의 전파 속도로부터 구해진다.(S131) 이 경우, [수학식 1]이 이용될 수 있다. 비선형 탄성계수는 선형 탄성계수와 비선형 파라미터로부터 구해진다.(S132) 이들의 관계는, [수학식 2]와 [수학식 3]에 나타나있다.
구해진 선형/비선형 탄성계수(E, F, G)를 이용해 [수학식 3]에 대입하여 정리하면 인장곡선을 재현할 수 있다.(S140) 이를 통해, 피검사체의 강도 특성 및 열화 정도 여부를 진단할 수 있게 된다. 즉, 인장시험을 통해 얻을 수 있었던 재료의 강도 특성 및 열화 정도를 초음파를 이용한 비파괴 검사를 통해 얻을 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 탄성계수 측정 방법은 초음파 신호의 정보를 기초로 하여 피검사체의 선형 탄성계수 뿐만 아니라 비선형 탄성계수도 정확히 추정할 수 있고 재료의 물성치나 열화 여부 등 재료 상태를 정밀하게 진단할 수 있다.
또한, 기존의 파괴검사법의 대체를 통해 시간과 경비가 대폭 절감되는 효과를 얻을 수 있으며, 내구성 평가, 신뢰성 평가 등에 대한 데이터베이스화에 활용할 수 있다.
또한, 정밀하게 진단된 재료 상태로부터 산업 구조물 및 첨단 소재 내의 잠재적 파손 위험성을 사전에 측정하고 진단함으로써 제품의 고장이나 파손을 예방할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 피검사체 내부로 초음파 신호를 송신하는 단계;
    상기 피검사체 내부에서 반사 또는 투과되는 초음파 신호를 수신하는 단계;
    수신된 상기 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계; 및
    상기 전파 속도와 비선형 파라미터의 정보를 기초로 하여 탄성계수를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 탄성계수를 산출하는 단계는, 계산된 상기 전파 속도로부터 선형 탄성계수를 구하는 단계; 및 상기 선형 탄성계수와 상기 비선형 파라미터로부터 비선형 탄성계수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성계수 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성계수로부터 인장 곡선을 재현하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성계수 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 신호를 송신하는 단계는, 종파 탐촉자 및 횡파 탐촉자에서 상기 피검사체로 각각 종파와 횡파의 초음파 신호를 각각 발생시키고, 기본파 탐촉자에서 상기 피검사체로 기본 주파수의 초음파 신호를 발생시키는 탄성계수 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 신호를 수신하는 단계는,
    기본 주파수의 종파와 횡파의 초음파 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 피검사체를 통과한 고차 고조파의 종파와 횡파신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 탄성계수 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전파 속도를 구하는 단계는 상기 피검사체를 투과한 종파의 초음파 신호와 횡파의 초음파 신호의 시간 간격을 측정하여 계산되는 것을 특징으로 하는 탄성계수 측정방법
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 신호의 전파 속도와 비선형 파라미터를 계산하는 단계는,
    수신된 초음파 신호의 시간 간격으로부터 전파 속도를 구하는 단계; 및
    수신된 초음파 신호의 기본파와 고차 고조파의 크기성분의 정보를 이용하여 비선형 파라미터를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성계수 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비선형 파라미터를 계산하는 단계는,
    수신된 상기 초음파 신호의 기본파 크기성분과 2차 고조파 크기성분으로부터 1차 비선형 파라미터를 구하는 단계; 및
    수신된 상기 초음파 신호의 기본파 크기성분과 3차 고조파 크기성분으로부터 2차 비선형 파라미터를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성계수 측정 방법.
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