KR101732494B1 - 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법 - Google Patents

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Abstract

실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법은, 검사 대상물에 제1 내지 제3 압전소자를 부착하는 압전소자 부착단계, 저주파의 진폭 및 주파수와, 고주파의 진폭 및 주파수를 선정하는 주파수 선정단계, 상기 제1 압전소자에 상기 저주파를 가진하고, 상기 제2 압전소자에 상기 고주파를 가진하는 가진단계, 상기 가진단계에서의 가진에 의한 신호를 상기 제3 압전소자에서 수신하고, 상기 수신한 신호를 푸리에 변환하여 상기 저주파 및 상기 고주파에 따른 관심 주파수에서의 피크 유무에 따라 균열의 존재 유무를 확인하는 균열 확인단계를 포함한다.

Description

비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법{METHOD FOR DETECTING CRACK USING NONLINEAR UTRASOUND MODULATIONS SCHEMES}
본 발명은 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 관한 것이다.
미세균열의 생성 및 균열 진전은 기계분야, 건설재료분야, 더 나아가서는 우주항공재료분야에서까지 적용되는 중요한 현상이며, 시스템의 노후 및 기술발전에 따른 인류의 생활 반경 확대로 인해 그 관심도 계속 증가하고 있다.
일반적으로 생성된 초미세균열은 점진적으로 증가하여 재료 및 구조적 균열로 발전하고, 중요 구조물의 수명을 단축하고 안전성을 해친다. 따라서 보수를 위해 구조물의 초미세균열을 발생 초기 단계에 발견하는 기술에 대한 수요는 꾸준히 증가하고 있다.
다양한 방법을 이용한 초미세균열의 초기 진단 기술은 여럿 존재한다. 그 예로 종래의 강판 내부결함 검사기법인 유도 초음파의 펄스/에코(pulse/echo)법은 비교적 크기가 큰 결함만을 검출할 수 있었고, 압연과정 중에 표면으로 드러나지 않는 작은 내부결함은 검출하지 못하는 문제점이 있었다. 이 기법에서는 초음파 트랜스듀서에서 발생되어 강판 내부를 따라 전파되는 유도 초음파가, 전파되는 경로상에 존재하는 내부결함의 경계면에서 반사되고, 이를 다시 초음파 트랜스듀서로 수신한다. 이와 같이, 내부결함에서 반사되는 유도 초음파를 다시 수신하기 위해 상당히 큰 내부결함으로부터 반사된 유도 초음파의 신호만을 검출하는 것이 가능하다.
유도 초음파를 반사시켜 펄스/에코(pulse/echo)법으로 검출할 수 있는 거대한 내부결함은, 냉간압연 후 표면으로 노출되어 표면결함이 되므로, 표면결함검출기(SDD)로도 그 기능을 수행하는 것이 가능하다.
또한, 최근 제강기술의 발달로 이와 같은 거대한 내부결함의 발생율이 감소하였으므로, 거대한 내부결함을 검출하는 내부결함 검출기의 유용성이 떨어진다. 근래에는 강판으로부터 최종제품을 생산할 때 소성 가공성이 더 많이 요구되고 있기 때문에, 개재물과 같은 내부결함에 대한 기준이 더욱 엄격해지고 있다. 이에, 만족되는 내부결함 검출기법은 종래보다 훨씬 작은 크기의 결함검출이 가능해야 한다.
비선형 초음파 변조 기법은 비파괴검사의 한 종류로써 균열의 비선형성으로 인한 초음파의 변조를 관찰하여 미세 균열을 탐지하는 기술이다. 그 기본 원리는 다음과 같다.
금속판에 서로 다른 주파수의 신호를 가진하면 손상이 없는 판에서는 도 1의 (a)와 같이, 가진 주파수와 같은 신호만 탐지된다. 반면에 도 1의 (b)와 같이, 손상이 있는 판에서는 균열로 인한 비선형성 때문에 가진 주파수와는 다른 변조파가 발생하는데, 이 변조파로 미세균열의 존재를 판별한다.
종래에 활용하고 있는 비선형 초음파 변조 기법은 초미세균열을 탐지 가능하고, 검사 대상물에 변형을 일으키지 않는 장점이 있지만 그 기본 원리가 명확하게 규명되지 않아 활용에 한계가 존재한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0072820호
실시형태는 비선형 초음파 변조 기법의 원리를 이해하고, 이를 활용하여 기술의 효율적인 활용 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.
또한, 실시형태는 종래에 정성적인 성질을 이용하여 변조파의 발생으로부터 균열 존재 여부를 판별하는데 그쳤던 기술을 개선하여, 정량적 분석을 통해 대략적인 균열 크기를 예측하는 것을 목적으로 한다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법은, 검사 대상물에 제1 내지 제3 압전소자를 부착하는 압전소자 부착단계, 저주파의 진폭 및 주파수와, 고주파의 진폭 및 주파수를 선정하는 주파수 선정단계, 상기 제1 압전소자에 상기 저주파를 가진하고, 상기 제2 압전소자에 상기 고주파를 가진하는 가진단계, 상기 가진단계에서의 가진에 의한 신호를 상기 제3 압전소자에서 수신하고, 상기 수신한 신호를 푸리에 변환하여 상기 저주파 및 상기 고주파에 따른 관심 주파수에서의 피크 유무에 따라 균열의 존재 유무를 확인하는 균열 확인단계를 포함한다.
여기서, 상기 고주파는 상기 저주파의 정수배가 아니고, 상기 고주파의 진폭은 상기 저주파의 진폭의 1/5~1/10일 수 있다.
여기서, 상기 제3 압전소자에서 수신한 신호의 푸리에 변환 값, 상기 저주파의 진폭 및 상기 고주파의 진폭을 이용하여 갭(gap) 값을 계산하고, 상기 갭 값(gap)에 기초하여 균열 크기를 예측하는 균열 크기 예측단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 갭 값(gap)은 상기 제3 압전소자에서 수신한 신호 중 1차 변조파에 해당하는 신호의 푸리에 변환값에 파이(π)를 곱하고 상기 고주파의 진폭으로 나눈 값의 아크코사인(arccos)값의 사인(cos)값에 상기 저주파의 진폭을 곱한 값으로 계산할 수 있고, 상기 푸리에 변환값은 상기 고주파와 상기 저주파의 합과 차에 해당하는 주파수에서의 값에 해당한다.
여기서, 상기 균열 크기 예측단계는, 상기 갭 값(gap)이 작을수록 상기 균열에 소정 크기보다 작은 틈이 더 많은 것으로 예측할 수 있다.
여기서, 상기 균열 크기 예측 단계는, 상기 갭 값(gap)이 작을수록 상기 균열이 더 큰 균열인 것으로 예측할 수 있다.
여기서, 상기 갭 값(gap)이 작을수록 초음파의 변조가 많이 일어날 수 있다.
여기서, 상기 소정 크기는 상기 제1 및 제2 압전소자에서 가진한 진폭과, 상기 제1 및 제2 압전소자와 상기 균열의 위치에 따라 정해질 수 있다.
여기서, 상기 주파수 선정단계에서 상기 저주파 및 상기 고주파의 주파수는 상기 검사 대상물의 두께에 따른 램파(Lamb wave) 모드, 상기 저주파 및 상기 고주파의 주파수에 따른 재료 감쇠, 상기 고주파와 상기 저주파의 조합을 고려하여 선정할 수 있다.
여기서, 상기 저주파 및 상기 고주파의 주파수의 범위는, 상기 검사 대상물의 재료, 상기 검사 대상물의 두께, 상기 제1 및 제2 압전소자의 종류를 고려하여 선정할 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 가진에 의한 신호를 제3 압전소자에서 수신하고, 수신한 신호를 푸리에 변환하여 저주파 및 고주파에 따른 관심 주파수에서의 피크 유무에 따라 균열의 존재 유무를 확인하여 비파괴검사의 정확성을 높일 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 고주파는 저주파의 정수배가 아니고, 고주파의 진폭은 저주파의 진폭의 1/5~1/10이기 때문에, 변조파를 뚜렷하게 볼 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 제3 압전소자에서 수신한 신호의 푸리에 변환 값, 저주파의 진폭 및 고주파의 진폭을 이용하여 갭(gap) 값을 계산할 수 있기 때문에, 갭 값(gap)에 기초하여 균열 크기를 예측하여 균열 크기와 검사 대상물의 잔존 수명을 예상할 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 갭 값(gap)은 제3 압전소자에서 수신한 신호 중 1차 변조파에 해당하는 신호의 푸리에 변환값에 파이(π)를 곱하고 고주파의 진폭으로 나눈 값의 아크코사인(arccos)값의 사인(cos)값에 저주파의 진폭을 곱한 값으로 계산되기 때문에, 보다 정확하게 균열 크기를 예측할 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 갭 값(gap)이 작을수록 균열에 소정 크기보다 작은 틈이 더 많은 것으로 예측할 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 갭 값(gap)이 작을수록 균열이 더 큰 균열인 것으로 예측할 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 갭 값(gap)이 작을수록 초음파의 변조가 많이 일어나는 것을 알 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 저주파 및 고주파의 주파수는 검사 대상물의 두께에 따른 램파(Lamb wave) 모드, 저주파 및 고주파의 주파수에 따른 재료 감쇠, 고주파와 저주파의 조합을 고려하여 선정하기 때문에, 보다 정확하게 균열의 존재 여부를 확인할 수 있다.
실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에 의하면, 저주파 및 고주파의 주파수의 범위는, 검사 대상물의 재료, 검사 대상물의 두께, 제1 및 제2 압전소자의 종류를 고려하여 선정하기 때문에, 보다 더 정확하게 균열의 존재 여부를 확인할 수 있다.
도 1은 비선형 초음파 변조 기법의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실험예의 따른 비손상 모델과 손상 모델의 개념도이다.
도 3 및 도 4는 수치해석을 활용한 비선형 초음파 변조 기법을 검증하기 위한 도면이다.
도 5는 변조파 발생 원리 규명을 위해 사용된 장치의 개념도이다.
도 6은 변조파 발생 원리 규명을 위한 실험 시편의 사진이다.
도 7 및 8은 주파수 조합에 따른 주파수 영역에서 변조파의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 균열을 통과하여 전달되는 파의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 제1 실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법의 순서도이다.
도 11은 제2 실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법의 순서도이다.
도 12는 피로 균열 진전 시, 줄무늬가 나타나는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시형태를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시형태는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시형태는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시형태에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시형태로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시형태 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는 본 발명의 실시형태를 제1 실시형태와 제2 실시형태로 설명한다. 제1 실시형태는 효과적인 균열 탐지를 위한 방법을 제시하고, 제2 실시형태는 변조파를 분석하여 균열의 크기를 예측하는 방법을 제시한다.
<제1 실시형태>
효율적인 균열 탐지를 위해서는 비선형 초음파 변조 기법의 원리를 파악하고 활용해야 한다.
<실험예>
도 2는 실험예의 따른 비손상 모델과 손상 모델의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 제1 실시형태의 실험예는, 수치해석을 위해 비손상 모델(1)과 손상 모델(2)을 각각 생성한다. 그리고 비손상 모델(1)의 일측에서 두 주파수로 가진(Input1, Input2)하여 타측에서 신호를 측정하고, 손상 모델(2)의 일측에서 두 주파수로 가진(Input1, Input2)하여 균열(Crack) 맞은편인 타측에서 신호를 측정(Output)하였다. 실험예에서는 가진과 신호 측정에 압전소자(PZT)를 이용하였으나, 수치해석 상에서는 절점의 변위를 조정하여 가진하고, 절점의 변위를 측정하였다.
도 3 및 도 4는 수치해석을 활용한 비선형 초음파 변조 기법을 검증하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 비손상 모델(1)에서는 고주파수 양 쪽으로 변조파가 관찰되지 않는다. 또한, 도 4를 참조하면, 손상 모델(2)에서는 고주파수 양쪽에 변조파가 발생한다.
비선형 초음파의 변조 현상은 수치해석 상에서도 관찰되었다. 손상 모델(2)에서 비선형 초음파의 변조 현상이 일어날 때, 균열을 관찰한 결과 균열의 여닫힘이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 균열이 여닫힘으로 인한 응력 전달의 잘림이 변조파 발생의 원인이라 가정하고 도 5와 같이 실험을 수행하였다.
도 5는 변조파 발생 원리 규명을 위해 사용된 장치의 개념도이고, 도 6은 변조파 발생 원리 규명을 위한 실험 시편의 사진이고, 도 7 및 8은 주파수 조합에 따른 주파수 영역에서 변조파의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 시편(10)은 3 mm 알루미늄을 사용하였다. 압전소자는 3개의 압전소자(21, 22, 23)를 이용하였다. 균열(30)은 와이어커팅 가공을 통해 150μm의 균일한 폭을 가지도록 생성하였다. 이때, 가진 진폭은 1μm 이하로 하였다. 가진 진폭은 1μm 이하이므로 가진 진폭(1μm)에 비해 큰 폭(150μm)을 가진 균열(30)은 여닫히지 않았고, 그 결과 변조파는 도 7과 같이 발생하지 않았다.
또한, 압축강도 시험기(UTM기)를 이용하여 같은 시편(10)의 균일한 균열(30) 옆에 미세한 피로 균열을 추가하여 같은 실험을 반복하였다. 그 결과 도 8과 같이 변조파를 확인할 수 있었다.
이 실험으로 인해 균열(30)로 인한 변조파는 균열(30)의 여닫힘으로 인해 발생한다는 가설을 확인하였으며, 균열(30)의 여닫힘으로 인해 발생하는 신호의 잘림이 초음파 변조에 어떻게 영향을 미치는지 수식적으로 검증하였다.
도 9는 균열을 통과하여 전달되는 파의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 사인파가 균열(30)을 통과할 때, 압축력은 전달되지만 인장력은 전달되지 못해 신호의 일부분만 전달되는 현상이 발생한다. 이 때, 잘린 신호는 원래 신호에 rect(t)라는 윈도우 함수(사각 함수)를 곱하여 표현 가능하며, 푸리에 변환을 통해 고주파와 저주파의 합과 차에 해당하는 신호는 아래 [식 1]과 같이 정리할 수 있다.
[식 1]
1ST(1차) 변조파(f1±f2)에서의 FFT 진폭:
Figure 112016030037082-pat00001
[식 1]에서 A1, A2는 각각 균열 통과 직전의 저주파와 고주파의 진폭을 뜻하며, 갭 값(gap)은 균열폭을 나타낸다. 식을 유도하는 과정에서
Figure 112016030037082-pat00002
라 가정하였는데, 이는 유도에 사용된 윈도우 함수의 주기가 저주파의 주기의 영향만 받도록 하기 위해서이다.
Figure 112016030037082-pat00003
라는 가정이 성립하지 않는 경우에도 신호의 변조 현상은 관찰할 수 있지만, 신호 분석의 용이성이 떨어지기 때문에 고주파의 진폭은 너무 크지 않은 것이 좋다.
위에서 살펴본 기술의 원리를 바탕으로 효율적인 비선형 초음파 변조 기법 활용 방법은 다음과 같다.
도 10은 제1 실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법의 순서도이다.
도 10을 참조하면, 제1 실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법은 압전소자 부착단계(S100), 주파수 선정단계(S200), 가진단계(S300), 균열 확인단계(S400)를 포함할 수 있다.
압전소자 부착단계(S100)은 검사 대상물에 제1 내지 제3 압전소자(21, 22, 23)를 부착하는 단계이다. 구체적으로, 검사 대상물 중 균열의 존재 여부를 확인하고 싶은 부위에 압전소자(21, 22, 23)를 순간접착제나 에폭시 등을 이용하여 도 5와 같이 부착할 수 있다.
주파수 선정단계(S200)는 초음파 변조를 관찰하기 위해 저주파의 진폭 및 주파수와, 고주파의 진폭 및 주파수를 선정하는 단계이다. 구체적으로, 주파수 선정에는 대상물의 두께에 따른 램파(Lamb wave) 모드, 주파수(저주파, 고주파)에 따른 재료 감쇠, 두 주파수(저주파, 고주파)의 조합 등이 고려하여 선정한다. 일 예로, 두께 3mm 알루미늄(6061-T6)의 경우, 두께 3mm 알루미늄 가진 주파수는 수 kHz~수백 kHz 정도가 적합하다. 특히 저주파는 5kHz~50kHz, 고주파는 50kHz~200kHz 정도가 적당하다. 저주파 및 고주파의 주파수의 범위는 검사 대상물의 재료, 검사 대상물의 두께, 부착하는 압전소자의 종류에 따라 달라질 수 있다. 재료 감쇠 효과 때문에 저주파의 진폭이 고주파의 진폭에 비해 크기 때문에 균열을 여닫는 역할을 하기 때문에, 초음파의 변조를 관찰하기 위해서는 저주파의 진폭은 큰 것이 좋다. 검사 대상물에서 어떤 주파수가 잘 전달되는지 확인을 위해 주파수를 바꿔가며 실험을 진행한다. 예를 들어, 20kHz 부터 40kHz까지 1kHz씩 바꿔가며 실험을 진행하고, 파동이 잘 전달되는 주파수를 선택한다. 마찬가지로 고주파에 대해서도 같은 과정을 반복한다. 여기서, 고주파는 저주파의 정수배가 아니고, 고주파의 진폭은 저주파의 진폭의 1/5~1/10일 수 있다. 구체적으로, 변조파의 신호를 분석하기 위해서는 고주파의 진폭은 저주파의 진폭에 1/5~1/10 정도인 것이 적당하다. 또한, 고주파의 주파수가 저주파의 정수 배일 경우, 변조파를 뚜렷하게 보기 힘들다. 따라서 고주파는 저주파의 정수배가 아닌 주파수 중 진폭이 1/5~1/10 정도인 주파수로 선정한다. 한 개의 압전소자로 가진 하였으므로 이 신호와 압전소자의 물성치를 이용하면, 파의 진폭을 알 수 있다. 파의 진폭 값은 나중에 파의 균열의 크기를 예측하는데 사용할 수 있다. 이와 같이, 고주파는 저주파의 정수배가 아니고, 고주파의 진폭은 저주파의 진폭의 1/5~1/10이기 때문에, 변조파를 뚜렷하게 볼 수 있다. 이와 같이, 저주파 및 고주파의 주파수는 검사 대상물의 두께에 따른 램파(Lamb wave) 모드, 저주파 및 고주파의 주파수에 따른 재료 감쇠, 고주파와 저주파의 조합을 고려하여 선정하기 때문에, 보다 정확하게 균열의 존재 여부를 확인할 수 있고, 저주파 및 고주파의 주파수의 범위는, 검사 대상물의 재료, 검사 대상물의 두께, 제1 및 제2 압전소자의 종류를 고려하여 선정하기 때문에, 보다 더 정확하게 균열의 존재 여부를 확인할 수 있다. 여기서, 압전소자의 종류는 압전소자의 가진형태(원형 또는 선형)와, 물성치(1V를 가했을 때, 팽창하는 정도)를 뜻한다.
가진단계(S300)는 제1 압전소자(21)에 저주파를 가진하고, 제2 압전소자(22)에 고주파를 가진하는 단계이다. 구체적으로, 제1 압전소자(21)에 주파수 선정단계(S200)에서 선정한 저주파를 가진하고, 제2 압전소자(22)에 주파수 선정단계(S200)에서 선정한 고주파를 가진한다.
균열 확인단계(S400)는 가진단계(S300)에서의 가진에 의한 신호를 제3 압전소자(23)에서 수신하고, 수신한 신호를 푸리에 변환하여 저주파 및 고주파에 따른 관심 주파수에서의 피크 유무에 따라 균열의 존재 유무를 확인하는 단계이다. 일 예로, 가진단계(S300)에서 저주파로 40kHz, 고주파로 180kHz를 선정했다고 하면 두 개의 압전소자(21, 22)에 각각 40kHz, 180kHz를 가진하여 나머지 한 개의 압전소자(23)에서 신호를 받는다. 받은 신호를 푸리에 변환(Fourier transform)하여 주파수 영역에서 관찰할 때, 균열의 존재를 판별하는 관심 주파수는 180±40 = 140, 220kHz이다. 140, 220kHz에 피크가 나타나면 균열이 존재한다고 할 수 있다. 여기서, 균열의 존재 여부에 대해 더욱 확실한 결과를 얻기 위해, 다른 주파수 조합에 대하여 같은 과정을 반복할 수 있다.
여기서, 신호를 수신하기 위한 제3 압전소자(23)는 1개인 것으로 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제3 압전소자(23)는 2개 이상일 수 있다.
<제2 실시형태>
이하에서는 변조파를 분석하여 균열의 크기를 예측하는 방법에 대해 설명한다.
도 11은 제2 실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법의 순서도이다.
도 11을 참조하면, 제2 실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법은 제1 실시형태에 따른 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법에서 균열 크기 예측단계(S500)를 더 포함할 수 있다.
균열 크기 예측단계(S500)는 제3 압전소자(23)에서 수신한 신호의 푸리에 변환 값, 저주파의 진폭 및 고주파의 진폭을 이용하여 갭(gap) 값을 계산하고, 갭 값(gap)에 기초하여 균열 크기를 예측하는 단계이다.
상술한 [식 1]은 1차원 평평한 균열의 모양으로부터 유도되었으며, 변조파의 발생 정도는 고주파의 진폭과 저주파의 진폭 크기에 대한 균열의 폭의 비율에 따라 결정되는 것을 보여준다. 따라서, [식 1]을 정리하여 균열 폭에 관한 식으로 나타내면 아래 [식 2]와 같다.
[식 2]
Figure 112016030037082-pat00004
[식 2]에서 DFT는 1차 변조파의 푸리에 변환 값을 나타내고, A1, A2는 [식 1]에서와 같이 각각 저주파, 고주파의 진폭을 나타낸다. 즉, 갭 값(gap)은 제3 압전소자에서 수신한 신호 중 1차 변조파에 해당하는 신호의 푸리에 변환값에 파이(π)를 곱하고 고주파의 진폭으로 나눈 값의 아크코사인(arccos)값의 사인(cos)값에 저주파의 진폭을 곱한 값으로 계산할 수 있다. 따라서, 균열 크기를 보다 정확하게 예측할 수 있다.
실제 현장 시험에서는 균열의 위치를 정확히 알 수 없고 재료의 감쇠 효과가 있기 때문에, A1, A2의 근사 값을 사용한다. 따라서 균열의 위치가 대략 가진 압전소자(21, 22)와 수신 압전소자(23) 사이에 위치하였다고 가정하고, 가진 압전소자(21, 22)와 수신 압전소자(23)의 전압을 변환한 변위의 평균 값으로 A1, A2를 사용한다. 비선형 초음파 변조 기법을 이용하여 균열이 존재하고, 육안으로 구분이 되는 경우, 가진 압전소자(21, 22), 수신 압전소자(23), 균열의 위치 관계에 따라 A1, A2 값을 조절하면 더욱 정확한 해석이 될 것이다.
실제 미세균열의 크기가 수 nm에서 수백 μm 범위에 분포한 것을 고려하면, 압전소자의 진폭은 이에 비해 아주 작다. 따라서 [식 2]를 통해 얻은 갭 값(gap)은 정확한 균열의 크기를 나타내기 보다는, 압전소자의 진폭보다 작은 값들의 중간 값 정도를 나타낸다.
도 12는 피로 균열 진전 시, 줄무늬가 나타나는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
예를 들어, 도 12의 (a)와 같은 균열은 반복하중을 받으면서 도 12의 (e)와 같이 진전하는데, 이 때 균열에는 줄무늬 모양이 생성된다. 균열의 줄무늬 모양이 도 12의 (a)에서 도 12의 (e)만큼 길어질수록, 틈이 작은 부분(균열에 소정 크기보다 작은 틈)이 4개에서 5개로 많아지고, 균열이 진전될수록 틈이 작은 부분에 의해 초음파의 변조를 일으키는 부분이 증가한다. 정리하면, 균열이 클수록 틈이 작은 부분도 많아지고, 초음파의 변조가 많이 일어나게 된다. 따라서 [식 2]의 갭 값(gap)이 작을수록 균열에 일정 크기보다 틈이 작은 부분이 더 많다고 할 수 있고, 갭 값(gap)이 작음은 균열이 상대적으로 큼을 알 수 있다. 따라서, 갭 값(gap)을 이용하여 경험적으로 균열의 크기와 검사 대상물의 잔존 수명을 예측할 수 있다.
따라서, 균열 크기 예측단계(S500)는, 갭 값(gap)이 작을수록 균열에 소정 크기보다 작은 틈이 더 많은 것으로 예측할 수 있고, 갭 값(gap)이 작을수록 균열이 더 큰 균열인 것으로 예측할 수 있고, 갭 값(gap)이 작을수록 초음파의 변조가 많이 일어날 수 있다. 여기서, 소정 크기는 제1 및 제2 압전소자(21, 22)에서 가진한 진폭과, 제1 및 제2 압전소자(21, 22)와 균열(30)의 위치에 따라 정해질 수 있다.
실시형태에 따르면, 비선형 초음파 변조 기법은 원리가 명확히 밝혀지지는 않아 실험적으로만 증명되어 사용되고 있던 기법이다. 본 발명에서는 연구를 통해 유도한 수식을 이용하여 가진 주파수를 조절하고 및 변조파의 발생 정도를 분석하여 비선형 초음파 변조 기법을 더욱 발전시키고 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 제시하였다. 따라서, 실시형태에 따른 균열 탐지 방법은 비파괴검사의 정확성을 높이고, 균열 크기와 검사 대상물의 잔존 수명 예상을 가능하게 한다.
이상에서는 도면 및 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시형태들은 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 실시형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 시편
21, 22, 23: 압전소자
30: 균열

Claims (10)

  1. 검사 대상물에 제1 내지 제3 압전소자를 부착하는 압전소자 부착단계;
    저주파의 진폭 및 주파수와, 고주파의 진폭 및 주파수를 선정하는 주파수 선정단계;
    상기 제1 압전소자에 상기 저주파를 가진하고, 상기 제2 압전소자에 상기 고주파를 가진하는 가진단계;
    상기 가진단계에서의 가진에 의한 신호를 상기 제3 압전소자에서 수신하고, 상기 수신한 신호를 푸리에 변환하여 상기 저주파 및 상기 고주파에 따른 관심 주파수에서의 피크 유무에 따라 균열의 존재 유무를 확인하는 균열 확인단계; 및
    상기 제3 압전소자에서 수신한 신호의 푸리에 변환 값, 상기 저주파의 진폭 및 상기 고주파의 진폭을 이용하여 갭(gap) 값을 계산하고, 상기 갭 값(gap)에 기초하여 균열 크기를 예측하는 균열 크기 예측단계를 포함하고,
    상기 갭 값(gap)은 상기 제3 압전소자에서 수신한 신호 중 1차 변조파에 해당하는 신호의 푸리에 변환값에 파이(ππ)를 곱하고 상기 고주파의 진폭으로 나눈 값의 아크코사인(arccos)값의 사인(cos)값에 상기 저주파의 진폭을 곱한 값으로 계산하고,상기 푸리에 변환값은 상기 고주파와 상기 저주파의 합과 차에 해당하는 주파수에서의 값에 해당하는, 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고주파는 상기 저주파의 정수배가 아니고,
    상기 고주파의 진폭은 상기 저주파의 진폭의 1/5~1/10인, 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 균열 크기 예측단계는, 상기 갭 값(gap)이 작을수록 상기 균열에 소정 크기보다 작은 틈이 더 많은 것으로 예측하는, 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 균열 크기 예측 단계는, 상기 갭 값(gap)이 작을수록 상기 균열이 더 큰 균열인 것으로 예측하는, 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 갭 값(gap)이 작을수록 초음파의 변조가 많이 일어나는, 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 소정 크기는 상기 제1 및 제2 압전소자에서 가진한 진폭과, 상기 제1 및 제2 압전소자와 상기 균열의 위치에 따라 정해지는, 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 선정단계에서 상기 저주파 및 상기 고주파의 주파수는 상기 검사 대상물의 두께에 따른 램파(Lamb wave) 모드, 상기 저주파 및 상기 고주파의 주파수에 따른 재료 감쇠, 상기 고주파와 상기 저주파의 조합을 고려하여 선정하는, 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 저주파 및 상기 고주파의 주파수의 범위는, 상기 검사 대상물의 재료, 상기 검사 대상물의 두께, 상기 제1 및 제2 압전소자의 종류를 고려하여 선정하는, 비선형 초음파 변조 기법을 이용한 균열 탐지 방법.
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