KR101594970B1 - 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치는 기준 시편과 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 내부에서 반사 또는 투과되는 각각의 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부; 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 이용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 신호 처리부; 및 상기 측정된 상대 비선형 파라미터와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터에 기초하여 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 절대 비선형 파라미터 추정부를 포함한다.

Description

초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR ESTIMATING ULTRASONIC ABSOLUTE NONLINEAR PARAMETER BY USING ULTRASONIC RELATIVE NONLINEAR PARAMETER}
본 발명의 실시예들은 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용하여 초음파 절대 비선형 파라미터를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
고체재료의 비선형탄성 특성은 물리적으로 재료내 원자간 분리거리에 대한 작용 응력이 비선형적 거동을 하는 데서 나타나는 특성으로, 실제 고체재료의 원자간 에너지는 조화특성을 갖지 못하고 비조화 특성을 나타낸다.
일정한 주파수를 갖는 사인파형의 초음파가 충분한 진폭을 갖고 비조화 특성을 갖는 고체매질 내를 전파할 경우 기본 입사 주파수를 갖는 초음파는 재료의 비선형 탄성 특성에 따라서 국부적인 위상속도의 차이로 인해 왜곡현상이 발생하게 되고, 따라서 기본 주파수의 정수배에 해당하는 고차 조화 성분이 발생한다.
재료가 손상을 받기 전후에서 조화파 성분의 크기 (또는 비선형 파라미터의 크기) 변화를 알아내면 재료의 손상을 평가할 수 있다. 기본파의 진폭 크기를 A1이라 하고 2차 고조파의 진폭 크기를 A2라고 할 경우 비선형 파라미터(β)를 아래의 수학식 1과 같이 정량화시킬 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014087330538-pat00001
이러한 비선형 파라미터는 재료의 열화 정도를 분석하는데 활용될 수 있다. 재료의 열처리에 따른 석출물의 생성과 소멸 또는 미세 구조의 변화에 의한 격자 구조의 붕괴를 분석하는데 활용될 수 있다.
관련 선행기술로는 공개특허공보 제10-2014-0045124호(발명의 명칭: 초음파 비선형 변수를 이용한 골밀도 예측 방법 및 장치, 공개일자: 2014년 4월 16일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 초음파 절대 비선형 파라미터를 상대 비선형 파라미터로부터 추정하여 보다 수월한 방법으로 대상 재료의 열화를 정량적으로 정밀하게 진단할 수 있는 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치는 기준 시편과 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 내부에서 반사 또는 투과되는 각각의 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부; 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 이용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 신호 처리부; 및 상기 측정된 상대 비선형 파라미터와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터에 기초하여 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 절대 비선형 파라미터 추정부를 포함한다.
상기 절대 비선형 파라미터 추정부는 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터의 비(ratio)를 계산하고, 상기 계산된 상대 비선형 파라미터의 비와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정할 수 있다.
상기 상대 비선형 파라미터의 비는 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 상기 기준 시편의 상대 비선형 파라미터로 나누는 연산을 통해 계산될 수 있다.
상기 피검체의 절대 비선형 파라미터는 상기 상대 비선형 파라미터의 비와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 곱하는 연산을 통해 추정될 수 있다.
상기 기준 시편은 이미 절대 비선형 파라미터의 값이 알려져 있거나 미리 절대 비선형 파라미터를 측정해 둔 기준 시편인 것이 바람직하다.
상기 신호 처리부는 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정할 수 있다.
상기 신호 처리부는 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리할 수 있다.
상기 신호 처리부는 제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리하는 기본 주파수 파형 추출부; 및 상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리하는 2차 고조파 파형 추출부를 포함할 수 있다.
상기 신호 처리부는 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 하기의 비선형 파라미터 수식에 적용하여 상기 상대 비선형 파라미터의 값을 측정할 수 있다.
β'= k * (A2 / A1 2)
여기서, β'은 상기 상대 비선형 파라미터의 값이고, k는 임의의 상수, A1은 상기 기본 주파수 성분의 크기, A2는 상기 2차 고조파 성분의 크기를 각각 나타냄.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 방법은 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치의 초음파 송신부에서, 기준 시편과 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신하는 단계; 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치의 초음파 수신부에서, 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 내부에서 반사 또는 투과되는 각각의 초음파 신호를 수신하는 단계; 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치의 신호 처리부에서, 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 이용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 단계; 및 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치의 절대 비선형 파라미터 추정부에서, 상기 측정된 상대 비선형 파라미터와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터에 기초하여 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 Calibration 측정과 고조파 측정의 두 단계로 이루어지던 절대 비선형 파라미터 측정 방법에서, 절대비선형 파라미터 값을 아는 기준 시편과 피검사체의 상대비선형 파라미터 비교를 통해 절대 비선형 파라미터를 추정하는 방법으로 대체하여 시간과 경비가 대폭 절감되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 산업구조재의 품질 관리 및 안전 관리를 위한 재료의 강도 변화 및 열화 여부를 현장에서 정밀하게 진단함으로써 산업구조물 및 첨단부품소재의 잠재적 파손위험성을 사전에 진단하여 효과적인 구조물 및 소재의 건전성 유지 관리를 실현할 수 있다.
도 1은 고조파 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 Calibration 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 4는 도 3의 신호 처리부의 상세 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 기준 시편과 피검체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예를 설명하기에 앞서, 먼저 상대 비선형 파라미터(β')의 측정에 관하여 설명하기로 한다.
비선형 파라미터(β)를 상기 수학식 1과 같이 표현할 수 있으나, 실험적으로?A1 과 A2를 측정하는 것은 매우 어렵기 때문에 현재 많은 연구자들이 비선형 파라미터의 절대값을 측정하지 않고, 접촉식 탐촉자를 이용하여 수신 신호의 전압 변화를 관찰하는 상대 비선형 파라미터를 측정하고 있다. 상대 비선형 파라미터는 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014087330538-pat00002
상대 비선형 파라미터와 재료의 열화는 밀접한 상관성을 보이나, 상대 비선형 파라미터로 재료의 열화를 정량적으로 측정할 수 없는 문제점 때문에 지금까지 상대 비선형 파라미터는 열화 전후의 비교에만 적용되고 있다. 또한, 상대 비선형 파라미터를 정밀하게 측정하기 위해서는 모든 측정 조건이 동일해야 하는데, 이는 현실적으로 매우 어렵다.
다음으로는 절대 비선형 파라미터(β)의 측정에 관하여 설명하기로 한다.
절대 비선형 파라미터 측정 방법 중 피검사체를 투과하여 수신되는 초음파의 변위를 측정하는 방법으로 압전형 수신 기법이 많이 활용되는데, 이는 상대 비선형 파라미터 측정 방법의 단점을 보완하기 위하여 전기에너지를 기계에너지로 환산하여 피검사체를 투과한 초음파의 변위를 측정한다.
상기 압전형 수신 기법은 피검사체 양쪽에 기본 주파수와 2배 주파수를 가지는 탐촉자를 부착하여 실험을 수행하는 고조파 측정 실험과, 커플런트와 탐촉자에서 발생하는 비선형성을 보정하기 위해 2배 주파수 탐촉자만을 붙여서 실험을 수행하는 캘리브레이션(Calibration) 실험, 이렇게 두 단계의 실험으로 진행된다.
하기 수학식 3과 같이, 고조파 측정 실험을 통해 Iout(w)를 구하고, Calibration 실험을 통해 H(w)를 구하여 기본 주파수의 변위 A1 과 2차 고조파의 변위 A2 의 절대적인 크기를 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112014087330538-pat00003
아래에서는 고조파 측정 방법에 대해서 설명한다.
입/출력되는 전기에너지와 기계에너지 사이에는 변화 효율 KR(w) 이 존재한다. 고조파 측정 실험에서 피검사체를 투과하여 수신되는 전류를 측정하여, 도 1의 PA , in - trans(w1,w2) 와 PE , out(w1,w2) 의 관계를 정립하면 하기 수학식 4와 같이 되고, PA,in-trans(w1,w2) 로부터 Ainc(w1,w2) 를 측정할 수 있으며 하기 수학식 5와 같이 표현된다. 참고로, 도 1은 고조파 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
따라서, 1차 변환효율 KR(w) 를 구하면 측정된 전기신호로부터 피검사체를 투과하여 수신되는 초음파의 변위 진폭을 구할 수 있다. 참고로, Ainc(w) 는 변위 진폭, Iout(w) 는 측정된 출력 전류 값이다.
[수학식 4]
Figure 112014087330538-pat00004
[수학식 5]
Figure 112014087330538-pat00005
아래에서는 Calibration 방법에 대해서 설명한다.
Calibration 측정 실험에서는 피검사체에 입사된 전기신호 P' E , cal - in(w2) 와 에코 신호 P' E , cal - out(w2) 를 측정하여, 도 2의 P' E , cal - in(w2) 와 P' E , cal - out(w2) 의 관계를 정립하면 하기 수학식 6과 같이 된다. 참고로, 도 2는 Calibration 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
Calibration 과정에서 송수신되는 전류와 전압을 측정하고, 이로부터 하기 수학식 7에서와 같이 Calibration 파라미터 H(w) 를 구할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112014087330538-pat00006
[수학식 7]
Figure 112014087330538-pat00007

그러나, 상기의 절대 비선형 파라미터 측정 방법은 고조파 측정과 Calibration 측정의 두 단계로 이루어져야 하기 때문에, 측정이 번거롭고 복잡하여 실제 적용에는 매우 어려움이 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는 초음파 절대 비선형 파라미터를 상대 비선형 파라미터로부터 추정하여, 상기의 절대 비선형 파라미터 측정 방법보다 수월한 방법으로 대상 재료의 열화를 정량적으로 정밀하게 진단할 수 있는 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치 및 방법을 제공한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 이미 절대 비선형 파라미터 값이 알려져 있거나 미리 절대 비선형 파라미터를 측정해 둔 기준 시편을 준비한 후, 상기 기준 시편과 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정하여, 상기 기준 시편의 절대비선형 파라미터 값과, 상기 기준 시편과 피검사체의 상대 비선형 파라미터 값의 비(ratio)로부터 상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 방법을 제공할 수 있다.
이러한 절대 비선형 파라미터 추정 방법을 이용하면 기존의 절대 비선형 측정 방법보다 수월한 방법으로 절대 비선형 파라미터를 측정할 수 있기 때문에 기존의 절대 비선형 파라미터 측정 방법을 효과적으로 대처할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112014087330538-pat00008
상기 수학식 8은 절대 비선형 파라미터를 추정하기 위한 상대 비선형 파라미터 값의 비(rβ )를 구하는 방법으로 절대 비선형 파라미터 값을 아는 기준 시편의 상대 비선형 파라미터 값(β0 ')과 피검사체의 상대 비선형 파라미터 값(β')으로부터 구한다.
이렇게 구해진 상대 비선형 파라미터 사이의 비(ratio)와 기존에 알고 있는 절대 비선형 파라미터 값(β0)을 이용해 피검사체의 절대 비선형 파라미터(β)를 추정할 수 있다.
하기 수학식 9는 피검사체의 절대 비선형 파라미터 추정 방법으로, 상대 비선형 파라미터 측정을 통해 구한 기준 시편과 피검사체의 상대 비선형 파라미터 값의 비와, 절대 비선형 파라미터 값을 아는 기준 시편의 절대 비선형 파라미터 값의 관계로부터 피검사체의 절대 비선형 파라미터 값을 구할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112014087330538-pat00009
이와 같이 본 발명의 일 실시예에서는 기존의 Calibration 측정과 고조파 측정의 두 단계로 이루어지던 절대 비선형 파라미터 측정 방법에서, 절대비선형 파라미터 값을 아는 기준 시편과 피검사체의 상대비선형 파라미터 비교를 통해 절대 비선형 파라미터를 추정하는 방법으로 대체하여 시간과 경비를 대폭적으로 절감할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면 산업구조재의 품질 관리 및 안전 관리를 위한 재료의 강도 변화 및 열화 여부를 현장에서 정밀하게 진단함으로써, 산업구조물 및 첨단부품소재의 잠재적 파손위험성을 사전에 진단하여 효과적인 구조물 및 소재의 건전성 유지 관리를 실현할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)는 초음파 송신부(310), 초음파 수신부(320), 신호 처리부(330), 절대 비선형 파라미터 추정부(340), 및 제어부(350)를 포함할 수 있다.
상기 초음파 송신부(310)는 기준 시편과 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신한다. 이때, 상기 초음파 송신부(310)는 라인(line) 형태 또는 어레이(array) 형태로 배열되어 상기 피검사체의 일면 또는 초음파의 빔의 경로가 집속될 수 있는 위치에 부착될 수 있다.
상기 초음파 수신부(320)는 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 내부에서 반사 또는 투과되는 각각의 초음파 신호를 수신한다. 이때, 상기 초음파 수신부(320)는 상기 초음파 송신부(310)와 마찬가지로, 라인 형태 또는 어레이 형태로 배열되어 상기 피검사체의 일면 또는 초음파의 빔의 경로가 집속될 수 있는 위치에 부착될 수 있다.
상기 피검사체 내부에 결함이 존재하는 경우, 피검사체 내부로 방사된 초음파 신호는 결함이 존재하는 지점에서 반사를 일으키게 되는데, 상기 초음파 수신부(320)는 상기 결함이 존재하는 지점에서 반사된 초음파 신호를 수신하게 된다. 이때, 상기 반사된 초음파 신호는 결함에 대한 정보를 포함하게 된다.
상기 신호 처리부(330)는 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 이용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정한다.
이때, 상기 신호 처리부(330)는 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정할 수 있다.
즉, 상기 신호 처리부(330)는 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하고, 분리된 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분에 기초하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정할 수 있다.
이를 위해, 상기 신호 처리부(330)는 도 4에 도시된 바와 같이, 기본 주파수 파형 추출부(410), 및 2차 고조파 파형 추출부(420)를 포함할 수 있다. 참고로, 도 4는 도 3의 신호 처리부(330)의 상세 구성을 도시한 블록도이다.
상기 기본 주파수 파형 추출부(410)는 제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리할 수 있다.
상기 2차 고조파 파형 추출부(420)는 상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리할 수 있다.
이로써, 상기 신호 처리부(330)는 상기 기본 주파수 파형 추출부(410) 및 상기 2차 고조파 파형 추출부(420)를 통해, 상기 수신된 초음파 신호로부터 시간 축에 대한 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 획득할 수 있게 된다.
상기 신호 처리부(330)는 상기와 같이 획득한 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분을 하기의 비선형 파라미터 수식(수학식 10)에 적용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터의 값을 측정할 수 있다.
다시 말해, 상기 신호 처리부(330)는 하기 수학식 10을 이용하여 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 상기 상대 비선형 파라미터의 값으로 변환할 수 있다.
[수학식 10]
β'= k * (A2 / A1 2)
여기서, β'은 상기 상대 비선형 파라미터의 값이고, k는 임의의 상수, A1은 상기 기본 주파수 성분의 크기, A2는 상기 2차 고조파 성분의 크기를 각각 나타낸다.
상기 절대 비선형 파라미터 추정부(340)는 상기 측정된 상대 비선형 파라미터와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터에 기초하여 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정한다.
구체적으로, 상기 절대 비선형 파라미터 추정부(340)는 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터의 비(ratio)를 계산하고, 상기 계산된 상대 비선형 파라미터의 비와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정할 수 있다.
여기서, 상기 상대 비선형 파라미터의 비는 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 상기 기준 시편의 상대 비선형 파라미터로 나누는 연산을 통해 계산될 수 있으며, 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터는 상기 상대 비선형 파라미터의 비와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 곱하는 연산을 통해 추정될 수 있다.
한편, 본 실시예에서, 상기 기준 시편은 이미 절대 비선형 파라미터의 값이 알려져 있거나 미리 절대 비선형 파라미터를 측정해 둔 기준 시편인 것이 바람직하다.
상기 제어부(350)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300), 즉 상기 초음파 송신부(310), 상기 초음파 수신부(320), 상기 신호 처리부(330), 상기 절대 비선형 파라미터 추정부(340) 등의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 단계(510)에서 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 초음파 송신부(310)는 기준 시편과 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신한다.
다음으로, 단계(520)에서 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 초음파 수신부(320)는 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 내부에서 반사 또는 투과되는 각각의 초음파 신호를 수신한다.
상기 피검사체 내부에 결함이 존재하는 경우, 피검사체 내부로 방사된 초음파 신호는 결함이 존재하는 지점에서 반사를 일으키게 되는데, 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 초음파 수신부(320)는 상기 결함이 존재하는 지점에서 반사된 초음파 신호를 수신하게 된다. 이때, 상기 반사된 초음파 신호는 결함에 대한 정보를 포함하게 된다.
다음으로, 단계(530)에서 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 신호 처리부(330)는 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 이용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정한다.
이때, 상기 신호 처리부(330)는 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정할 수 있다.
즉, 상기 신호 처리부(330)는 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하고, 분리된 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분에 기초하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정할 수 있다.
상기 기준 시편과 상기 피검체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 방법에 대해 도 6을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다. 참고로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 기준 시편과 피검체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 단계(610)에서 상기 신호 처리부(330)의 기본 주파수 파형 추출부(410)는 제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리할 수 있다.
이후, 단계(620)에서 상기 신호 처리부(330)의 2차 고조파 파형 추출부(420)는 상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리할 수 있다.
이후, 단계(630)에서 상기 신호 처리부(330)는 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 이용하여 상기 기준 시편과 상기 피검체의 상대 비선형 파라미터를 측정할 수 있다.
즉, 상기 신호 처리부(330)는 상기 기본 주파수 파형 추출부(410) 및 상기 2차 고조파 파형 추출부(420)를 통해, 상기 수신된 초음파 신호로부터 시간 축에 대한 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 획득하고, 상기 획득된 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분을 하기의 비선형 파라미터 수식(상기 수학식 10)에 적용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터의 값을 측정할 수 있다.
다시 말해, 상기 신호 처리부(330)는 상기 수학식 10을 이용하여 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 상기 상대 비선형 파라미터의 값으로 변환할 수 있다.
다시 도 3 및 도 5를 참조하면, 단계(540)에서 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 절대 비선형 파라미터 추정부(340)는 상기 측정된 상대 비선형 파라미터와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터에 기초하여 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정한다.
상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 방법을 도 7을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다. 참고로, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 단계(710)에서 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 절대 비선형 파라미터 추정부(340)는 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터의 비(ratio)를 계산한다.
즉, 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 절대 비선형 파라미터 추정부(340)는 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 상기 기준 시편의 상대 비선형 파라미터로 나누는 연산을 통해 상기 상대 비선형 파라미터의 비를 계산할 수 있다.
이후, 단계(720)에서 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 절대 비선형 파라미터 추정부(340)는 상기 계산된 상대 비선형 파라미터의 비와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정할 수 있다.
즉, 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 절대 비선형 파라미터 추정부(340)는 상기 상대 비선형 파라미터의 비와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 곱하는 연산을 통해 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정할 수 있다.
여기서, 상기 기준 시편은 이미 절대 비선형 파라미터의 값이 알려져 있거나 미리 절대 비선형 파라미터를 측정해 둔 것이다. 따라서, 상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치(300)의 절대 비선형 파라미터 추정부(340)는, 상기 피검체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 과정에서, 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 별도로 구할 필요 없이 기존에 측정해 두거나 이미 알려져 있는 값을 바로 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
310: 초음파 송신부
320: 초음파 수신부
330: 신호 처리부
340: 절대 비선형 파라미터 추정부
350: 제어부
410: 기본 주파수 파형 추출부
420: 2차 고조파 파형 추출부

Claims (10)

  1. 기준 시편과 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부;
    상기 기준 시편과 상기 피검사체의 내부에서 반사 또는 투과되는 각각의 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부;
    상기 수신된 각각의 초음파 신호를 이용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 신호 처리부; 및
    상기 측정된 상대 비선형 파라미터와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터에 기초하여 상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 절대 비선형 파라미터 추정부를 포함하고,
    상기 절대 비선형 파라미터 추정부는
    상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 상기 기준 시편의 상대 비선형 파라미터로 나누는 연산을 통해 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터의 비(ratio)를 계산하고, 상기 계산된 상대 비선형 파라미터의 비와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 곱하는 연산을 통해 상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터를 추정하고,
    상기 기준 시편은,
    이미 절대 비선형 파라미터의 값이 알려져 있거나 미리 절대 비선형 파라미터를 측정해 둔 기준 시편이며,
    상기 절대 비선형 파라미터는 하기 수학식 1과 같이 정량화될 수 있고, 상기 상대 비선형 파라미터는 하기 수학식 2와 같이 정량화될 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112015127647175-pat00019

    [수학식 2]
    Figure 112015127647175-pat00020

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    상기 수신된 각각의 초음파 신호를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 것을 특징으로 하는 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리하는 기본 주파수 파형 추출부; 및
    상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 각각의 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리하는 2차 고조파 파형 추출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 하기의 비선형 파라미터 수식에 적용하여 상기 상대 비선형 파라미터의 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치.
    β'= k * (A2 / A1 2)
    여기서, β'은 상기 상대 비선형 파라미터의 값이고, k는 임의의 상수, A1은 상기 기본 주파수 성분의 크기, A2는 상기 2차 고조파 성분의 크기를 각각 나타냄.
  10. 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치의 초음파 송신부에서, 기준 시편과 피검사체 내부로 단일 주파수의 초음파 신호를 송신하는 단계;
    상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치의 초음파 수신부에서, 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 내부에서 반사 또는 투과되는 각각의 초음파 신호를 수신하는 단계;
    상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치의 신호 처리부에서, 상기 수신된 각각의 초음파 신호를 이용하여 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 측정하는 단계; 및
    상기 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 장치의 절대 비선형 파라미터 추정부에서, 상기 측정된 상대 비선형 파라미터와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터에 기초하여 상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 단계는
    상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터를 상기 기준 시편의 상대 비선형 파라미터로 나누는 연산을 통해 상기 기준 시편과 상기 피검사체의 상대 비선형 파라미터의 비(ratio)를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 상대 비선형 파라미터의 비와 상기 기준 시편의 절대 비선형 파라미터를 곱하는 연산을 통해 상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터를 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 기준 시편은,
    이미 절대 비선형 파라미터의 값이 알려져 있거나 미리 절대 비선형 파라미터를 측정해 둔 기준 시편이며,
    상기 절대 비선형 파라미터는 하기 수학식 1과 같이 정량화될 수 있고, 상기 상대 비선형 파라미터는 하기 수학식 2와 같이 정량화될 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 상대 비선형 파라미터를 이용한 초음파 절대 비선형 파라미터 추정 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112015127647175-pat00021

    [수학식 2]
    Figure 112015127647175-pat00022
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