KR101745838B1 - 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치 - Google Patents

탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면이 거칠고 먼지나 기타 이물질이 존재하고 높이가 일정하지 않는 아스팔트 도로 표면에 대한 일정한 접착력을 제공하여 측정된 신호의 일관성 및 신호대잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)를 향상시켜 지반물리탐사를 효과적으로 수행할 수 있는 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 일측 개방된 하우징; 상기 하우징에서 수직으로 선형 이동가능하게 구비되는 선형 이동 부재; 상기 선형 이동 부재의 일단부에 구비되는 지오폰 센서; 상기 선형 이동 부재를 탄성 지지하기 위한 탄성 수단; 및 상기 지오폰 센서에서 검출된 고주파 신호를 분석하기 위한 탐사분석수단을 포함하는 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치가 제공된다.

Description

탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치{DRY CONTACT-GEOPHONE SENSING DEVICE FOR GEOPHYSICAL TECHNIQUES BASED ON ELASTIC WAVE}
본 발명은 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면이 거칠고 먼지나 기타 이물질이 존재하고 높이가 일정하지 않는 아스팔트 도로 표면에 대한 일정한 접착력을 제공하여 측정된 신호의 일관성 및 신호대잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)를 향상시켜 지반물리탐사를 효과적으로 수행할 수 있는 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치에 관한 것이다.
일반적으로 지반조사를 위해 탄성파 탐사에 의한 방법이 널리 사용되고 있고 이러한 탄성파 탐사에 의한 지반조사를 위하여, 1kHz 이하 저주파 지반진동을 효과적으로 감지하기 위한 지오폰센서(geophone sensor)가 널리 활용되고 있다.
이러한 지오폰센서를 활용하여 구조물의 진동을 효과적으로 측정하기 위하여 지오폰이 구조물에 효과적으로 부착되어 있어야 한다.
일반적으로 상부 포장(아스팔트, 콘크리트 등)이 없는 지오폰을 활용할 경우, 지오폰센서 하부에 스파이크 부착하고, 스파이크를 지반에 매설함으로써 지오폰센서와 구조물의 접착력을 높인다. 다시 말해서, 토양(흙) 등이 피폭한 지표의 경우에 지반을 통과한 탄성파 신호를 감지하기 위해서는 지오폰 센서와 지표부의 일체(coupling)는 필수적이다. 이러한 지오폰 센서는 더미 플레이트 타입(10: 도 1참조)과 스파이크 타입(20; 도 2참조)으로 분류된다. 도 1은 종래기술에 의한 더미 플레이트 타입 지오폰의 개략적인 단면도이며, 도 2는 종래기술에 의한 스파이크 타입 지오폰의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 더미 플레이트 타입(10)의 경우 중량체인 플레이트(11)가 지표에 설치되고, 그 플레이트(11)에 탄성파 탐사를 위한 센서부가 마련되어 있는 센서 유니트(12)가 결합된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 스파이크 타입(20)의 경우 지반에 못을 박듯이 설치되는 스파이크(21)와 그 스파이크(21)에 결합되는 센서 유니트(22)로 이루어진다.
상기 더미 플레이트 타입의 지오폰(10)은 일반적으로 지표부가 콘크리트 혹인 아스팔트로 포장된 도로에서 활용될 수 있으나, 예컨대 지표부가 비포장도로와 같이 견고하지 못한 경우에는 활용되지 못하는 단점을 가진다.
반대로, 상기 스파이크 타입의 지오폰(200)은 상기 비포장도로와 같은 지반에 활용될 수는 있으나, 지표부가 콘크리트 혹은 아스팔트와 같은 도로에서는 활용되지 못하는 단점을 가진다.
특히, 아스팔트 도로 표면에는 이러한 기존 방법을 사용하는데 표면 처리에 필요한 과도한 시간 및 인적노력이 요구되므로 측정시간이 과도하게 지연시키는 문제점이 있다.
(문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1250301호(2013.03.28.) (문헌 2) 대한민국 등록특허공보 제10-1227927호(2013.01.24.)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 표면이 거칠고 먼지나 기타 이물질이 존재하고 높이가 일정하지 않는 아스팔트 도로 표면에 대한 일정한 접착력을 제공하여 측정된 신호의 일관성 및 신호대잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)를 향상시켜 지반물리탐사를 효과적으로 수행할 수 있는 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 일측 개방된 하우징; 상기 하우징에서 수직으로 선형 이동가능하게 구비되는 선형 이동 부재; 상기 선형 이동 부재의 일단부에 구비되는 지오폰 센서; 상기 선형 이동 부재를 탄성 지지하기 위한 탄성 수단; 및 상기 지오폰 센서에서 검출된 고주파 신호를 분석하기 위한 탐사분석수단을 포함하는 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치가 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 하우징은 양측 개방된 원통형의 몸체와 상기 몸체의 일측 개방면에 나사결합되고, 중앙부에 관통 구멍이 형성된 커버체로 구성되고, 상기 하우징의 내부 및 상기 관통 구멍 중 적어도 하나에는 상기 선형 이동 부재를 이동가능하게 지지하는 베어링 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 선형 이동 부재는 상기 지오폰 센서로부터의 신호 케이블이 내부 중공부를 통해 상기 하우징 외측으로 인출되도록 관형 봉 형태로 이루어지며, 상기 탄성 수단은 내부에 상기 선형 이동 부재가 삽입되고 일단부는 상기 지오폰 센서에 지지되고, 타단부는 상기 하우징에 지지되는 소정 스프링 계수의 코일 스프링;을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 하우징은 2.3kg ~ 2.6kg의 질량을 가지며, 상기 코일 스프링은 4N/cm ~ 6N/cm의 스프링 상수를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하우징과 코일 스프링에 의한 고주파 진동성분이 500Hz 이상으로 설정되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하우징과 탄성 수단에 의한 고주파 진동성분이 500Hz 이상으로 설정되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 지오폰 센서의 단부에 탈착 가능하게 구비되는 지반 밀착 부재를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치에 의하면, 표면이 거칠고 먼지나 기타 이물질이 존재하고 높이가 일정하지 않는 아스팔트 도로 표면에 대한 일정한 접착력을 제공하여 측정 신호의 일관성을 확보할 수 있고, 신호대잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)를 향상시킬 수 있어 지반물리탐사를 효과적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 장치를 단순히 이동시키는 것으로 셋팅이 끝나므로 탐사속도가 약 100m/hr정도로 예상되어 현장조사의 효율성을 4배 이상 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 의한 더미 플레이트 타입 지오폰의 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래기술에 의한 스파이크 타입 지오폰의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도로서, 가압에 의해 탐사 표면에 접촉되기 이전의 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도로서, 가압에 의해 탐사 표면에 접촉되어 있는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 각각 도 3 및 도 4에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 시작품의 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치에 지반 밀착 부재가 더 구성되는 실시 예를 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 8의 A-A선으로 바라본 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 1의 경우에 획득한 시간영역 신호를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 1의 경우에 획득한 주파수영역 신호를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 2의 경우에 획득한 시간영역 신호를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 2의 경우에 획득한 주파수영역 신호를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 3의 경우에 획득한 시간영역 신호를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 1의 경우에 획득한 주파수영역 신호를 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명자가 수행한 현장 실험 결과로서, 현장 아스팔트 상부에서 얻은 분산곡선을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 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.
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 않은 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치를 도 3 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도로서, 가압에 의해 탐사 표면에 접촉되기 이전의 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도로서, 가압에 의해 탐사 표면에 접촉되어 있는 상태를 나타내는 도면이다. 도 5 내지 도 7은 각각 도 3 및 도 4에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 시작품을 촬영한 사진이다.
본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치는 도 3 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 소정 질량을 갖는 하우징(100); 상기 하우징(100)에서 수직으로 선형 이동가능하게 구비되는 선형 이동 부재(200); 상기 선형 이동 부재(200)의 하단부에 구비되는 지오폰 또는 지오폰 센서(300)(이하, "지오폰 센서"로 통칭함); 상기 선형 이동 부재(200)를 탄성 지지하기 위한 탄성 수단(400); 및 상기 지오폰 센서(300)에서 검출된 고주파 신호를 분석하기 위한 탐사분석수단(미도시)을 포함한다.
상기 하우징(100)은 일면이 개방되고 타면이 폐쇄된 원통형으로 이루어지되, 폐쇄된 타면에는 선형 이동 부재(200)의 이동 통로를 제공하기 위한 관통 구멍이 형성된다.
여기에서, 상기 하우징(100)은 시작품으로 만들어진 것을 촬영한 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이 철재로 이루어지는데, 제작성을 고려하여 양측 개방된 원통형의 몸체(110)와 상기 몸체(110)의 일측 개방면에 나사결합되고, 중앙부에 관통 구멍이 형성된 커버체(120)로 이루어지는 것이 바람직하다. 도 3, 도 4 및 도 8에 나타낸 하우징(100)은 몸체(110)와 커버체(120)가 일체로 이루어지는 경우를 도시한 것이다.
또한, 상기 하우징(100)은 후술하는 선형 이동 부재(200)의 원활한 선형 이동을 위하여 선형 이동 부재(200)를 이동가능하게 지지하기 위한 지지 부재, 예를 들면 하나 이상의 환형 베어링 부재(130)(도 6 참조)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 도 3과 도 4 및 도 8에서 상기 지지 부재는 하우징(100)의 내측에 돌출 형성되어 선형 이동 부재(200)를 이동가능하게 지지하는 구성을 나타내고 있으며, 도 6에서는 지지부재의 예시로서 환형 베어링 부재(200)가 구성되는 경우의 시작품을 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
이때, 이러한 환형 베어링 부재(130)는 도 6에 나타낸 시작품에서와 같이 하우징(100)의 내부에 구비되는 것이 바람직하다. 상기 환형 베어링 부재(130)가 하우징(100)의 내부에 고정되는 방식은 억지끼움이나 용접 등 다양한 방법을 통해 이루어질 수 있으며, 이는 해당 기술분야의 당업자라면 충분히 이해할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 선형 이동 부재(200)는 철재로 이루어지고, 관형 봉 형태로 이루어지며, 지오폰 센서(300)로부터의 신호 케이블이 관형 봉의 내부 중공부를 통해 하우징(100) 외측으로 인출되어 탐사분석수단으로 접속된다.
상기 지오폰 센서(300)는 공지의 것을 채용하며, 본 발명은 지오폰 센서 자체에 대한 것이 아니므로 발명의 명확화 및 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 생략한다.
계속해서, 상기 탄성 수단(400)은 내부에 선형 이동 부재(200)가 삽입되고 소정 탄성 계수를 갖는 코일 스프링(410)으로 이루어진다.
여기에서, 상기 탄성 수단(400)은 코일 스프링(410)의 안정적인 안착과 지지를 위하여 상기 선형 이동 부재(200)에 구비되어 상기 코일 스프링(410)의 일단부와 타단부 각각을 지지하는 환형의 지지 플레이트(420)를 더 포함할 수 있다.
상기 탐사분석수단은 공지의 것을 채용할 수 있으며, 아래에서 상세히 설명될 유효주파수의 획득을 위하여 저역 필터(low pass filter) 회로부를 포함하며, 이는 후술하는 상기한 하우징(100) 및 탄성수단(400)의 코일 스프링(410)의 설계적 특성과 밀접하게 연관된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 지오폰센서에 의해 검출된 신호를 정확하게 분석하기 위하여, 다시 말해서 탐사대상 구조물의 진동과 코일스프링의 강성 및 하우징의 진동성분을 용이하게 하기 위하여 특정 질량의 하우징과 특정 강성(스프링 계수)의 코일 스프링으로 설계되도록 구성된다.
본 발명에서 상기 하우징(100)은 2.3kg ~ 2.6kg, 바람직하게는 2.5kg의 질량으로 이루어지고, 상기 코일 스프링(410)은 4N/cm ~ 6N/cm, 바람직하게는 5N/cm의 스프링 상수를 갖는 것을 특징으로 하거나, 하우징(100)과 코일 스프링(410)에 의한 고주파 진동성분이 500Hz 이상으로 설정되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치는 지오폰센서(300)를 탐사 구조물의 지면에 위치시키고, 가압력을 제공하여 접촉력을 유지시키기 위하여, 상기 하우징(100)의 상면에 착탈가능하게 올려지는 소정 무게를 갖는 하나 이상의 무게추(500)를 더 포함한다.
다음으로, 본 발명은 상기 지오폰 센서(300)의 단부에 탈착 가능하게 구비되는 지반 밀착 부재(600)를 더 포함한다. 도 8은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치에 지반 밀착 부재가 더 구성되는 실시 예를 나타내는 단면도이며, 도 9는 도 8의 A-A선으로 바라본 도면이다.
상기 지반 밀착 부재(600)는 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 지오폰 센서(300)의 단부가 안착 수용되는 안착홈이 형성되는 캡부(610), 및 상기 캡부(610)의 일면(하면)에 형성되는 복수의 스파이크부(spike portion)(620)를 포함한다.
상기 스파이크부(620)는 단부가 첨단지게 형성되도록 하방향으로 갈수록 테이퍼지게 형성된다.
이와 같이 지반 밀착 부재(600)가 더 포함되는 경우, 노면 평탄성이 고르지 못한 경우에도 지오폰 센서(300)를 안정적으로 밀착 고정시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치 및 이를 구성하는 하우징과 코일 스프링이 갖는 수치의 임계적 의의에 따른 성능검증과 설계 최적화 등의 작용효과를 시작품의 제작과 실험을 통해 확인하였으며, 이에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
1. 시작품 제작
본 발명의 발명자는 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같은 각 구성요소를 철 재질로 하는 시작품모델을 제작하였다.
2. 성능검증 및 최적화를 위한 실험
(1) 실험변수
실험변수는 하우징(100)의 유무와 코일 스프링(410)의 강성(스프링계수)으로 결정하였으며, 실험결과는 최적의 하우징(질량 및 형태) 및 강성 결정에 활용하고자 하였다.
Case 1: 하우징을 설치하지 않고 또한 측정시 추가 하중을 가하지 않은 상태로 지오폰센서의 자중만으로 거치되는 경우
Case 2: 하우징을 설치하고 내부의 비교적 약한 강성의 코일 스프링을 사용하는 경우(스프링계수: 2.5 N/m)
Case 3: 하우징을 설치하고 내부의 비교적 강한 강성의 용수철 사용하는 경우(스프링계수: 5 N/m)
실험변수 및 사용된 코일 스프링의 스프링계수 정리
하우징 코일스프링의 강성(스프링계수)
Case 1 없음 없음
Case 2 설치 2.5 N/cm
Case 3 설치 5 N/cm
(2) 실험결과 및 분석
도 10은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 1의 경우에 획득한 시간영역 신호를 나타내는 그래프이고, 도 11은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 1의 경우에 획득한 주파수영역 신호를 나타내는 그래프이다. 도 12는 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 2의 경우에 획득한 시간영역 신호를 나타내는 그래프이고, 도 13은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 2의 경우에 획득한 주파수영역 신호를 나타내는 그래프이다. 도 14는 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 3의 경우에 획득한 시간영역 신호를 나타내는 그래프이고, 도 15는 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치의 작용효과를 확인하는 위한 실험에서 Case 1의 경우에 획득한 주파수영역 신호를 나타내는 그래프이며, 도 16은 본 발명자가 수행한 현장 실험 결과로서, 현장 아스팔트 상부에서 얻은 분산곡선을 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 압축력 없이 지오폰센서만을 사용한 경우인 Case 1을 사용하여 측정된 시간영역과 주파수 영역의 원시신호를 나타내고 있다. 이 경우, 신호처리 전 고주파 대역의 노이즈로 인하여 전체 파형 신호분석(FWI) 절차의 수렴성 저하 및 결과의 신뢰성 확보에 어려움이 있음을 확인하였다. 이러한 이유로 실제 현장에서는 볼트 또는 너트와 같은 중량체로 지오폰센서에 하중을 가하여 신호 품질을 향상시키려는 노력을 하고 있다.
도 12 및 도 13은 상대적으로 약한 코일 스프링에 의한 강성(스프링계수: 2.5 N/m)으로 압축력을 가한 경우로, 압축력 없이 지오폰만 사용한 Case 1경우와 비교하여 고주파 대역의 신호가 획기적으로 감쇠되는 것으로 확인되었다. 하지만, 코일스프링의 강성과 하우징의 질량과 연관된 진동성분(도 9에서 약 300Hz에서 지배적인 성분)이 시간영역에 혼합되어 있어 전체파형 신호 분석에 어려움을 줄 수 있다.
이러한 결과는 탐사 대상구조물의 진동과 코일스프링의 강성 및 하우징의 진동성분의 분리를 용이하게 하기 위하여 코일스프링의 강성 및 하우징의 특정 설계가 요구된다는 점을 알려주는 것이다.
본 발명의 발명자가 수행한 부산시 녹산 현장에서 측정된 실험결과에 따르면, 실제 아스팔트 도로현장에서 FWI해석에서 유용한 주파수는 500Hz 이하(도 14 참조)인 것으로 조사되었다. 도 16은 5kgf의 해머로 아스팔트 표면을 가력하여 8개의 지오폰 센서로 획득한 분산곡선이다. 약 400Hz까지는 분산곡선 결과가 비교적 명확하지만, 이후에는 산란되는 경향이 있어 결과의 명확한 결정이 어렵다. 특히 500Hz이상의 신호는 산란도가 심하여 분석에 활용하기 어려운 것으로 파악되었다.
상태가 좋은 지반의 속도(표면파 속도)가 대략 400~500m/s라고 가정했을 때 500Hz 주파수 이하의 침투깊이는 대략 0.8에서 1.0m 이하에서 유용한 결과를 제공할 것으로 보인다. 이러한 특성은 싱크홀 탐사에 있어 탄성파 장비를 GPR의 단점인 1m이상의 깊은 심도의 탐사결과의 신뢰성을 높일 수 있는 보조기술로 활용할 수 있다. 참고로, SASW(spectral analysis of surface waves) 및 MASW(multi-channel analysis of surface waves) 등 탄성파를 활용하여 지반탐사를 하는 경우 사용주파수는 100Hz이하의 저주파를 대상으로 하고 있다.
본 발명은 이러한 실험적 배경을 기반으로 센서의 최적설계를 위한 기준으로서, 하우징과 탄성수단을 구성하는 코일스프링의 강성에 의한 고주파 진동성분을 500Hz 이상으로 설정한 것이다.
도 15는 Case 3(Case 2와 비교하여 스프링 강성을 높인 경우)을 활용하여 얻은 주파수영역 신호로 약간의 고주파신호가 혼합되어 있지만, 고주파 신호는 500Hz 이후의 신호로 구조물의 신호와 분리됨을 확인하였다. 따라서, 탐사분석수단은 저역필터 처리를 통하여 고주파 노이즈를 분리할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 실험을 통하여 확인한 바와 같이, 본 발명은 하우징의 질량을 2.5 kg, 코일스프링의 강성을 5N/cm로 하는 경우, 코일스프링 및 하우징 설치에 따른 공명주파수를 500Hz 이상으로 올릴 수 있어 탄성파를 활용한 아스팔트도로 지반 싱크홀 탐사의 유효주파수와 효과적으로 분리될 수 있음을 확인하였다.
따라서 특별한 접촉 매질을 사용하지 않더라도 신호의 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였으며, 이러한 결과는 FWI 해석의 수렴성 및 해석 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상기한 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치에 의하면, 표면이 거칠고 먼지나 기타 이물질이 존재하고 높이가 일정하지 않는 아스팔트 도로 표면에 대한 일정한 접착력을 제공하여 측정 신호의 일관성을 확보할 수 있고, 신호대잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)를 향상시킬 수 있어 지반물리탐사를 효과적으로 수행할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 종래 기술에서 스파이크를 이용한 지반조사에서 탄성파 탐사속도는 대략 50m/hr 수준이며 도심지 포장도로에서 탐사하는 경우는 지오폰 거치에 많은 시간이 소요되므로 25m/hr 정도이나, 본 발명은 장치를 단순히 이동시키는 것으로 셋팅이 끝나므로 탐사속도가 약 100m/hr정도로 예상되어 현장조사의 효율성을 4배 이상 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 하우징
110: 몸체
120: 커버체
130: 환형 베어링부재
200: 선형 이동 부재
300: 지오폰 센서
400: 탄성 수단
410: 코일 스프링
420: 지지 플레이트
500: 무게추
600: 지반 밀착 부재
610: 캡부
620: 스파이크부

Claims (7)

  1. 양측 개방된 원통형의 몸체, 및 상기 몸체의 일측 개방부에 결합되고 중앙부에 관통 구멍이 형성된 커버체로 구성되는 하우징;
    상기 하우징에서 수직으로 선형 이동가능하게 구비되는 선형 이동 부재;
    상기 하우징의 내부에 구비되어 상기 선형 이동 부재를 이동가능하게 지지하는 지지부재;
    상기 선형 이동 부재의 일단부에 구비되는 지오폰 센서;
    상기 선형 이동 부재를 탄성 지지하기 위한 탄성 수단; 및
    상기 지오폰 센서에서 검출된 고주파 신호를 분석하기 위한 탐사분석수단을 포함하고,
    상기 선형 이동 부재는 상기 지오폰 센서로부터의 신호 케이블이 내부 중공부를 통해 상기 하우징 외측으로 인출되도록 관형 봉 형태로 이루어지고,
    상기 탄성 수단은 내부에 상기 선형 이동 부재가 삽입되며 소정 스프링 계수를 갖는 코일 스프링, 및 상기 선형 이동 부재에 구비되어 상기 코일 스프링의 일단부와 타단부를 각각 지지하는 지지 플레이트를 포함하는
    탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 2.3kg ~ 2.6kg의 질량을 가지며,
    상기 코일 스프링은 4N/cm ~ 6N/cm의 스프링 상수를 갖는 것을 특징으로 하는
    탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하우징과 코일 스프링에 의한 고주파 진동성분이 500Hz 이상으로 설정되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하우징과 탄성 수단에 의한 고주파 진동성분이 500Hz 이상으로 설정되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지오폰 센서의 단부에 탈착 가능하게 구비되는 지반 밀착 부재를 더 포함하는
    탄성파 기반 지반물리탐사를 위한 드라이 컨텍 지오폰 센싱장치.
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