KR101964758B1 - Non-contact nonlinear ultrasonic diagnosis apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명의 초음파 진단 장치는 피검사체의 제1 면으로부터 제2 면까지 전파되는 초음파를 생성하는 조사부; 상기 초음파가 상기 제2 면에서 반사된 제1 반사 신호를 수신하는 제1 수신부; 상기 제1 반사 신호의 시간 역전 신호가 상기 제2 면에서 반사된 제2 반사 신호를 수신하는 제2 수신부; 상기 제2 반사 신호를 이용해서 상기 피검사체의 비선형 파라미터값을 산출하는 처리부;를 포함할 수 있다.The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention comprises an irradiating unit for generating ultrasonic waves propagated from a first surface to a second surface of an object to be inspected; A first receiving unit for receiving a first reflected signal of the ultrasonic wave reflected from the second surface; A second receiving unit for receiving a second reflected signal in which a time inverse signal of the first reflected signal is reflected on the second surface; And a processing unit for calculating a nonlinear parameter value of the subject using the second reflected signal.
Description
본 발명은 초음파를 이용하여 피검사체의 결함을 검사하는 초음파 비파괴 진단 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic nondestructive diagnosis apparatus for inspecting defects of an object by using ultrasonic waves.
비파괴 검사 기법 중에서 산업 설비의 결함을 검출하고 신뢰성을 평가하기 위한 대표적인 기법이 초음파 탐상 시험이다. 초음파 탐상 시험시, 균열과 같은 비선형 결함은 가장 검사하기 어려운 결함이다. 미세 균열에 대하여는 균열 선단부의 회절파나 균열면의 반사파를 식별하여 결함 검사를 하는 것이 일반적인 방법이다.Among the nondestructive testing methods, ultrasound testing is a representative technique for detecting defects in industrial facilities and evaluating reliability. In an ultrasonic test, nonlinear defects such as cracks are the most difficult defects to examine. For microcracks, it is a common practice to identify the diffraction wave at the tip of the crack or the reflected wave at the crack surface to perform defect inspection.
그러나 닫힌 균열 또는 부분적으로 닫힌 균열의 경우 균열 선단부의 회절 신호가 아주 미약하거나 균열면의 반사 신호가 나타나지 않기 때문에 결함의 검출이 매우 어렵다.However, in the case of a closed crack or a partially closed crack, it is very difficult to detect a defect because the diffraction signal at the crack tip is very weak or the reflection signal of the crack face does not appear.
결함에 빔을 집속하고 이에 따라 검출 신호를 강화하는 위상배열 초음파 검사가 개발되고 있지만 비선형 결함인 균열의 검출에는 개선 효과를 기대하기 힘들다.Although phased array ultrasound studies have been developed to focus a beam onto a defect and thereby enhance the detection signal, it is difficult to expect an improvement in the detection of cracks, which are nonlinear defects.
또한, 강력한 입사파를 방사하고 상기 입사파에 의하여 균열면이 개폐될 때 발생하는 비선형 성분을 검출하는 방식을 생각해 볼 수 있지만, 닫힌 균열의 경우 강력한 입사파에 불구하고 균열면의 개폐에 의한 비선형 성분 출력이 워낙 미약하여 성공적인 검사가 수행되기 어렵다.It is also possible to consider a method of detecting a nonlinear component occurring when a crack surface is opened or closed by radiating a strong incident wave and by the incident wave. However, in the case of a closed crack, nonlinearity due to crack opening / The component output is so weak that it is difficult to perform a successful inspection.
한국등록특허공보 제1414520호에는 서로 다른 주파수의 신호들을 인가하여 구조물을 진동시켜서 구조물의 소상 유무를 판별하는 기술이 개시되고 있다.Korean Patent Registration No. 1414520 discloses a technique for determining presence or absence of a small structure by vibrating a structure by applying signals of different frequencies.
본 발명은 피검사체의 이상을 파악하는데 필요한 비선형 파라미터값을 확실하게 획득할 수 있는 초음파 진단 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention is intended to provide an ultrasonic diagnostic apparatus capable of reliably acquiring a nonlinear parameter value necessary for grasping an abnormality of an object.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise forms disclosed. Other objects, which will be apparent to those skilled in the art, It will be possible.
본 발명의 초음파 진단 장치는 피검사체의 제1 면으로부터 제2 면까지 전파되는 초음파를 생성하는 조사부; 상기 초음파가 상기 제2 면에서 반사된 제1 반사 신호를 수신하는 제1 수신부; 상기 제1 반사 신호의 시간 역전 신호가 상기 제2 면에서 반사된 제2 반사 신호를 수신하는 제2 수신부; 상기 제2 반사 신호를 이용해서 상기 피검사체의 비선형 파라미터값을 산출하는 처리부;를 포함할 수 있다.The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention comprises an irradiating unit for generating ultrasonic waves propagated from a first surface to a second surface of an object to be inspected; A first receiving unit for receiving a first reflected signal of the ultrasonic wave reflected from the second surface; A second receiving unit for receiving a second reflected signal in which a time inverse signal of the first reflected signal is reflected on the second surface; And a processing unit for calculating a nonlinear parameter value of the subject using the second reflected signal.
본 발명에 따르면 비접촉식 방법으로 초음파를 가진하고, 반사 모드에서 수신한 종파와 첨단 신호처리 기술에 기초한 집속빔을 이용하여 손상 재료의 비선형 파리미터 절대값을 측정할 수 있다.According to the present invention, the absolute value of the nonlinear parameter of the damaging material can be measured using ultrasound in a noncontacting method, focusing wave received in reflection mode, and focused beam based on advanced signal processing techniques.
비선형 파라미터 절대값에 의해 재료의 손상도를 정확하게 예측할 수 있는 새로운 개념의 실용적인 비선형 초음파 진단 기술이 제공될 수 있다.A practical nonlinear ultrasonic diagnostic technique of a new concept capable of accurately predicting the degree of damage of the material by the absolute value of the nonlinear parameter can be provided.
도 1은 본 발명의 초음파 진단 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 처리부를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 시간 역전 처리에 의한 초음파 빔 집속 과정을 설명하는 모식도이다.
도 4는 비교 실시예의 주파수 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 초음파 진단 방법을 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing an ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention.
Fig. 2 is a schematic diagram showing the processing section of the present invention. Fig.
3 is a schematic diagram illustrating an ultrasonic beam focusing process by the time reversing process of the present invention.
4 is a frequency spectrum of a comparative example.
5 is a schematic view showing the ultrasonic diagnostic method of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The sizes and shapes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience. In addition, terms defined in consideration of the configuration and operation of the present invention may be changed according to the intention or custom of the user, the operator. Definitions of these terms should be based on the content of this specification.
도 1은 본 발명의 초음파 진단 장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 처리부(150)를 나타낸 개략도이다.FIG. 1 is a schematic view showing an ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view showing a
소성 변형, 피로, 크리프와 같은 손상 재료(이하, 피검사체(10))에 강력한 세기의 단일 주파수 초음파가 입사될 때 발생하는 제2 고조파를 관찰하는 비선형 초음파 검사법은 손상의 조기 탐지에 효과적인 방법으로 알려져 있다. 그러나, 비선형 초음파 검사법은 종파 및 투과법을 이용하고, 상대적 개념의 비선형 파라미터값과 손상도 사이의 상관 관계를 구하는 실험실 수준에 머무르고 있다.The nonlinear ultrasound method for observing the second harmonic generated when a single-frequency ultrasound of a strong intensity is incident on a damage material (hereinafter referred to as the subject 10) such as plastic deformation, fatigue, and creep is an effective method for early detection of damage It is known. Nonlinear sonography, however, remains at the laboratory level, using the longitudinal wave and transmission methods, to find the correlation between the relative nonlinear parameter values and the degree of damage.
본 발명의 초음파 진단 장치는 비접촉식 방법으로 초음파를 가진(excitation)하고, 반사 모드에서 수신한 종파와 첨단 신호 처리 기술에 기초한 집속빔을 이용하여 피검사체(시편)(10)의 비선형 파리미터값을 측정하여 피검사체(10)의 손상도를 정확하게 예측할 수 있는 새로운 개념의 실용적인 비선형 초음파 진단 기술에 관한 것이다.The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention excites an ultrasonic wave by a non-contact method and measures the nonlinear parameter value of the test object (specimen) 10 by using a focused beam based on the longitudinal wave received in the reflection mode and advanced signal processing technology To a practical novel nonlinear ultrasonic diagnostic technique capable of accurately predicting the degree of damage of the subject (10).
실제 현장에서 피검체의 손상 위치를 파악하는 등의 진단을 수행하기 위해서는, 피검체를 통과한 신호를 수신하는 수신 모듈의 교정을 통한 절대적 비선형 파리미터값의 측정이 요구된다. 수신 모듈의 교정 작업은 해당 신호에 포함된 제2 고조파 성분을 이용해서 이루어진다 그러나, 이미 알려진 비선형 초음파 검사법의 경우 측정되는 제2 고조파 성분이 거의 0이 되는 치명적인 한계를 갖는다. 따라서, 기존의 비선형 초음파 검사법은 제2 고조파의 검출을 어렵게 하는 각종 노이즈가 산재하는 실제 현장에서는 사용되지 못하고, 노이즈의 배제가 가능한 실험실에서만 적용되고 있다.In order to perform diagnosis such as detecting the damage position of the subject in an actual field, it is required to measure the absolute nonlinear parameter value through calibration of the receiving module that receives the signal passing through the subject. The calibrating operation of the receiving module is performed using the second harmonic component included in the signal. However, in the case of the known nonlinear ultrasonic testing method, the measured second harmonic component has a critical limit of almost zero. Therefore, the existing nonlinear ultrasonic inspection method can not be used in an actual field where various noises that make it difficult to detect the second harmonic are scattered, and is applied only in a laboratory where noise can be excluded.
본 발명의 초음파 진단 장치는 노이즈에 상관없이 감지가 가능한 제2 고조파를 생성함으로써 피검사체(10)의 비선형 파라미터값을 산출하기 위한 것일 수 있다.The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention may be for calculating a nonlinear parameter value of the
노이즈에 강건한, 다시 말해 강한 세기를 갖는 제2 고조파를 생성하기 위해 본 발명의 초음파 진단 장치는 조사부(110), 제1 수신부(131), 제2 수신부(132), 송신부(133), 처리부(150)를 포함할 수 있다.The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention includes an
조사부(110)는 피검사체(10)의 제1 면(11)으로부터 제2 면(저면)(12)까지 전파되는 초음파를 생성할 수 있다. 제1 면(11)과 제2 면(12)은 서로 다른 면일 수 있으며, 일 예로 제1 면(11)은 피검사체(10)의 윗면이고, 제2 면(12)은 피검사체(10)의 아랫면일 수 있다.The irradiating
조사부(110)는 피검사체(10)로부터 이격된 위치에서 제1 면(11)을 향해 레이저를 조사하는 레이저 조사기를 포함할 수 있다. 제1 면(11)에 조사된 레이저의 가진(excitation)에 의해 피검사체(10)를 통과하는 초음파가 생성될 수 있다.The irradiating
피검사체(10)로부터 이격된 조사부(110)에 따르면, 제1 면(11)에서 초음파가 생성되는 위치를 용이하게 변경할 수 있다. 또한, 레이저 가진에 의해 생성된 초음파는 공간 분해능이 우수한 장점이 있다.According to the
제1 수신부(131)는 초음파가 제2 면(12)에서 반사된 제1 반사 신호를 수신할 수 있다.The first receiving unit 131 may receive the first reflected signal reflected from the
송신부(133)는 제1 반사 신호의 시간 역전 신호를 생성해서 제2 면(12)을 향해 송신할 수 있다.The transmission unit 133 can generate the time reversal signal of the first reflection signal and transmit it to the
제2 수신부(132)는 제1 반사 신호의 시간 역전 신호가 제2 면(12)에서 반사된 제2 반사 신호를 수신할 수 있다.The second receiving unit 132 may receive the second reflected signal reflected from the
처리부(150)는 제2 반사 신호를 이용해서 피검사체(10)의 비선형 파라미터값을 산출할 수 있다.The
제1 수신부(131), 제2 수신부(132) 및 송신부(133)는 제1 면(11) 상의 동일한 위치에 형성될 수 있다. 일 예로, 피검사체(10)의 제1 면(11)에는 제1 수신부(131), 제2 수신부(132) 및 송신부(133)가 일체로 형성된 송수신 겸용의 탐촉자(130)가 마련될 수 있다. 또한, 제1 수신부(131), 제2 수신부(132) 및 송신부(133)는 제1 면(11) 상에 복수로 마련될 수 있다.The first receiving unit 131, the second receiving unit 132, and the transmitting unit 133 may be formed at the same position on the
조사부(110)에 의해 생성된 초음파는 피검사체(10)의 제2 면(12) 상의 P 위치에서 반사될 수 있다. 제2 면(12)은 공기, 지지판 등의 다른 매질과 경계가 되는 부분이므로, 제2 면(12)에 반사된 제1 반사 신호 또는 제2 반사 신호에는 피검사체(10) 내부의 미세한 균열에 반사된 신호와 비교하여 매우 큰 크기(magnitude)를 갖는 제2 고조파 성분이 포함될 수 있다. 제2 면(12)에 반사된 신호에 포함된 제2 고조파 성분은 노이즈와 구분될 수 있으므로, 노이즈가 혼재하는 실제 현장에서도 용이하게 파악될 수 있다.The ultrasonic waves generated by the
보다 더 노이즈에 강건한 제2 고조파 성분을 얻기 위해 피검사체(10)의 제1 면(11)에 배치된 복수의 송신부(133) 또는 복수의 탐촉자(130)는 P 위치에 집속되는 집속 빔을 생성할 수 있다.A plurality of transmitting units 133 or a plurality of
확실한 빔 집속을 위해 4채널 이상의 배열형 탐촉자(130)가 피검사체(10)의 제1 면(11)에 밀착될 수 있으며, 빔 집속을 위해 시간 역전법이 적용될 수 있다. 시간 역전법이 적용된 시간 역전 신호는 제2 면(12)의 P 위치에 정확하게 집속될 수 있다.The
탐촉자(130)로부터 피검사체(10)에 방사되는 신호는 시간 역전 처리되므로 피검사체(10)의 특성을 포함한 사전 정보를 몰라도 비선형 결함이 존재하는 P 위치에 정확하게 초음파 빔을 집속할 수 있다.Since the signal radiated from the
탐촉자(130)는 경계면, Lamb파의 다중 모드 등으로 야기된 비선형 성분 신호나, 평판 형상의 피검사체(10)에서 다양한 모드의 반사파로 야기되는 비선형 성분 신호 중에서 관심을 두는 특정 모드의 신호를 추출하고 이를 시간 역전 처리한다. 이에 따라 검사를 원하는 위치에 정확하게 빔을 집속할 수 있으므로, 다양한 검사 목적에 최적화된 정확한 분석이 가능하다.The
도 3은 본 발명의 시간 역전 처리에 의한 초음파 빔 집속 과정을 설명하는 모식도이다. 도 1에서는 N개의 탐촉자(130)가 배열된 어레이 트랜스듀서에 대한 시간 역전법을 도시하고 있지만, 본 발명의 실시예는 어레이 트랜스듀서에 한정되지 않고 낱개로 설치되는 탐촉자(130)에 의하여도 얼마든지 구현할 수 있다.3 is a schematic diagram illustrating an ultrasonic beam focusing process by the time reversing process of the present invention. Although FIG. 1 shows the time reversal method for the array transducers in which the
도 1의 첫째 그림을 참조하면 어레이 트랜스듀서에 마련되는 N개의 탐촉자(130) 중에서 하나를 가진시킨다. 가진된 입사파는 피검사체(10)에 전파된다.1, one of the
도 1의 둘째 그림을 참조하면 피검사체(10)의 경계면에 해당하는 제2 면(12)의 P 위치에 반사되는 산란 신호는 각 탐촉자(130)에 수신된다. 피검사체(10)의 매질 특성, 피검사체(10)의 표면 지오메트리, 제1 면(11)에 배치된 각 탐촉자(130)로부터 제2 면(12)까지의 거리 차이는 각 탐촉자(130)별 에코 신호의 시간 지연량 차이나 각 탐촉자(130)의 파형 차이와 같은 물리량으로 표현된다.Referring to the second drawing of FIG. 1, a scatter signal reflected at the P position of the
본 발명의 시간 역전법에 따르면 시간 지연량 차이나 파형 차이에 관한 데이터를 요구할 뿐 사전 정보에 대한 지식은 전혀 필요로 하지 않는다.According to the time reversal method of the present invention, data on the difference in time delay amount and waveform difference is required, but knowledge of the prior information is not required at all.
P 위치까지의 거리를 초음파의 속도로 나눈 것이 전파 시간이므로, 각 탐촉자(130)별 시간 지연량 차이나 파형 차이에는 피검사체(10)의 표면 지오메트리나, 각 탐촉자(130)로부터 P 위치까지의 거리 차이 등의 사전 정보가 이미 포함되어 있다. 따라서, 탐촉자(130)에서 방사 및 입수되는 신호로부터 시간 지연량을 계산하고 시간 역전 처리를 이용하면 표면 지오메트리나 매질 특성과 같은 사전 정보를 몰라도 P 위치의 검출이 가능해진다.The difference in time delay amount and waveform difference between the
어레이 트랜스듀서나 피검사체(10)에 대한 사전 정보를 전혀 몰라도, 피검사체(10)의 내부를 전파하여 되돌아온 신호를 이용하기 때문에 피검사체(10)의 기하학적 형상과 물성에 관한 사전 정보가 되돌아온 신호에 그대로 반영되어 있다. 시간 역전법은, 어레이 트랜스듀서나 피검사체(10)에 대한 사전 정보가 전혀 입력되지 않아도 초음파의 전파 시간은 해당 어레이 트랜스듀서나 피검사체(10)에 대하여 불변인 특성에 기반을 두고 있다.The prior information on the geometrical shape and the physical properties of the subject 10 can be restored by using the signals returned by propagating the inside of the subject 10 without knowing prior information of the array transducer or the subject 10 at all . The time reversal method is based on the property that the propagation time of the ultrasonic waves is constant for the array transducer or the subject 10 even if no advance information is input to the array transducer or the subject.
도 1의 셋째 그림을 참조하면, 사전 정보를 획득할 필요없이, N개의 탐촉자(130)에 입수된 파형(제1 반사 신호)을 각 탐촉자(130)별 시간 지연량 차이를 근거로 해서 시간 역전 처리한다. 각 탐촉자(130)는 시간 역전 처리된 새로운 파형(시간 역전 신호)을 피검사체(10)에 입사시킨다. 시간 역전 처리된 초음파 빔은 P 위치에 정확하게 집속된다.1, a waveform (first reflected signal) acquired by the
수신 신호의 시간 역전 처리에서 수신된 원래의 신호를 그대로 사용하거나, 관심을 두는 특정 모드의 비선형 신호를 선별적으로 추출하고 이를 시간 역전 처리하며, P 위치의 정확한 분석이 가능하다.The original signal received in the time reversal process of the received signal can be used as is, or the nonlinear signal of the particular mode of interest can be selectively extracted and the time reversal processed, and the P position can be analyzed accurately.
도 1의 넷째 그림을 참조하면, P 위치에 집중된 초음파 빔(시간 역전 신호)은 각 탐촉자(130)에 다시 입수(제2 반사 신호)된다. 입수된 파형은 신호대 잡음비가 개선된 파형으로서, P 위치에 대한 정확한 정보(좌표, 크기 포함)를 담고 있다.Referring to FIG. 1, the ultrasound beam (time reversal signal) concentrated at the P position is again received (second reflected signal) at each
즉, 시간 역전법에 의하여 산출된 시간 지연량을 반영하여 시간 역전 처리한 상태에서 각 탐촉자(130)를 가진시키면, 가진된 초음파는 P 위치에 집속하도록 전파된다. P 위치에 초음파가 집속되면 신호대 잡음비가 개선되므로 깨끗한 결함 영상을 얻을 수 있다.That is, when each
비선형 결함의 검사 정확도 향상을 위하여 제1 수신부(131)의 신호 수신 시간은 조사부(110)의 신호 송신 시간보다 더 긴 것이 바람직하다. 제1 반사 신호의 수신 시간이 길어질수록 고조파 성분의 피크 진폭이 증가되므로 노이즈 없이 순수한 고조파 성분이 추출될 수 있다.It is preferable that the signal reception time of the first reception unit 131 is longer than the signal transmission time of the
제1 반사 신호는 처리부(150)에 입력될 수 있다. 처리부(150)는 수신된 시간 영역의 제1 반사 신호를 푸리에 변환하여 주파수 스펙트럼이 구해지면 주파수 영역에서 윈도우 함수를 이용하여 고조파 스펙트럼을 추출할 수 있다. 처리부(150)는 추출된 고조파 스펙트럼을 시간 역전 처리한 후 시간 영역으로 변환해서 시간 역전 신호를 생성할 수 있다. 처리부(150)는 시간 역전 신호를 증폭한 다음 송신부(133)로 제공할 수 있다.The first reflected signal may be input to the
송신부(133)는 처리부(150)로부터 제공된 시간 역전 신호를 피검사체(10)를 향하여 재방사할 수 있다. The transmission unit 133 can redirect the time reversal signal provided from the
제1 반사 신호는 경계면과 같은 비선형 결함에 대한 정보를 담고 있다. 따라서, 제1 반사 신호를 시간 역전 처리한 시간 역전 신호는 사전 정보를 전혀 몰라도 시간 역전 처리에 따라 비선형 특성을 갖는 P 위치에 정확하게 집속될 수 있다. P 위치까지 전파된 시간 역전 신호는 다시 P 위치에서 반사되어 각 탐촉자(130)로 입수될 수 있다.The first reflected signal contains information about nonlinear defects such as the interface. Therefore, the time reversed signal obtained by performing the time reversal processing on the first reflection signal can be accurately focused on the P position having the nonlinear characteristic according to the time reversal processing without knowing the prior information at all. The time reversal signal propagated to the P position can be reflected at the P position again and can be obtained at each
처리부(150)는 각 탐촉자(130)로 입수된 제1 반사 신호 또는 제2 반사 신호를 처리할 수 있다. 처리부(150)는 제2 반사 신호를 분석해서 기본 주파수 성분과 제2 고조파 성분을 추출하고, 제2 고조파 성분을 이용해서 상기 비선형 파라미터값을 산출할 수 있다.The
처리부(150)는 기본 주파수 성분 또는 제2 고조파 성분에 탐촉자(130)의 전달함수를 곱하여 절대 변위로 변환할 수 있다. 처리부(150)는 탐촉자(130)에 시간 지연을 적용해서 제2 반사 신호를 합성하여 비선형 파라미터값을 산출할 수 있다. 처리부(150)는 제2 반사 신호의 회전 또는 감쇠를 보정해서 비선형 파라미터값을 산출할 수 있다.The
처리부(150)에는 오실로스코프(151), 처리 모듈(153), 멀티 채널 펑션 제너레이터(155)(multi channel function generator), 멀티 채널 증폭기(157)(multi channel amplifier), 임피던스 매칭기(159)(impedance matching)가 마련될 수 있다.The
오실로스코프(151)는 탐촉자(130)로부터 수신된 제1 반사 신호 또는 제2 반사 신호를 모니터링하고, 처리 모듈(153)에 제공할 수 있다.The
처리 모듈(153)은 제1 반사 신호를 처리해서 멀티 채널 평션 제너레이터로 제공하거나, 제2 반사 신호를 이용해서 피검사체(10)의 비선형 파라미터값을 산출할 수 있다.The
처리 모듈(153)에는 탐촉자 교정 모듈, 시간 역전 신호 처리 모듈, 수신 신호 처리 모듈, 절대 변위 계산 모듈, 비선형 파라미터값 계산 모듈, 회절 및 감쇠 보정 모듈이 마련될 수 있다.The
탐촉자 교정 모듈은 제2 고조파 성분의 절대 변위를 파악하기 위해 탐촉자(130)의 수신 주파수 등을 교정할 수 있다.The probe calibration module can calibrate the receiving frequency of the
시간 역전 신호 처리 모듈은 각 탐촉자(130)에서 수신한 제1 반사 신호에 시간 역전법을 적용할 수 있다.The time reversal signal processing module may apply the time reversal method to the first reflected signal received by each
수신 신호 처리 모듈은 제1 반사 신호 또는 제2 반사 신호를 처리할 수 있다. 일 예로, 수신 신호 처리 모듈은 복수의 탐촉자(130)로부터 획득된 복수의 제2 반사 신호에 시간 지연을 적용한 후 합성할 수 있다.The received signal processing module may process the first reflected signal or the second reflected signal. For example, the received signal processing module may apply a time delay to a plurality of second reflected signals obtained from the plurality of
절대 변위 계산 모듈은 기본 주파수 성분 또는 제2 고조파 성분에 탐촉자(130)의 전달함수를 곱하여 제2 고조파 성분 등의 절대 변위를 계산할 수 있다.The absolute displacement calculation module may calculate the absolute displacement of the second harmonic component or the like by multiplying the fundamental frequency component or the second harmonic component by the transfer function of the
비선형 파라미터값 계산 모듈은 계산된 절대 변위를 이용해서 수학식 1과 같은 비선형 파라미터값 β를 산출할 수 있다.The nonlinear parameter value calculation module can calculate the nonlinear parameter value? As shown in Equation (1) using the calculated absolute displacement.
회절 및 감쇠 보정 모듈은 제2 반사 신호 등에 포함된 회절 요소 및 감쇠 요소를 보정할 수 있다.The diffraction and attenuation correction module can correct the diffraction and attenuation factors included in the second reflection signal and the like.
탐촉자 교정 모듈, 수신 신호 처리 모듈, 절대 변위 계산 모듈, 비선형 파라미터값 계산 모듈, 회절 및 감쇠 보정 모듈의 세부 동작 및 수학 모델은 논문 'Review of Second Harmonic Generation Measurement Techniques for Material State Determination in Metals'(J Nondestruct Eval DOI 10.1007/s10921-014-0273-5)에 나타나 있다.The detailed operation and mathematical model of the probe calibration module, the received signal processing module, the absolute displacement calculation module, the nonlinear parameter value calculation module, the diffraction and attenuation correction module and the mathematical model are described in the paper 'Review of Second Harmonic Generation Measurement Techniques for Material State Determination in Metals' Nondestruct Eval. DOI 10.1007 / s10921-014-0273-5.
멀티 채널 평션 제너레이터는 제1 반사 신호가 처리된 결과를 이용해서 제1 면(11)에 설치된 복수의 탐촉자(130)에 할당되는 각 시간 역전 신호를 생성할 수 있다.The multi-channel frequency generator may generate a time reversal signal assigned to a plurality of
멀티 채널 증폭기는 각 탐촉자(130)에 할당된 시간 역전 신호를 증폭할 수 있다.The multi-channel amplifier can amplify the time reversal signal assigned to each
임피던스 매칭기는 시간 역전 신호가 제1 면(11)에서 반사되어 처리부(150)로 되돌아오는 것을 방지하는 것이다.The impedance matcher is to prevent the time reversal signal from being reflected on the
도 4는 비교 실시예의 주파수 스펙트럼이다.4 is a frequency spectrum of a comparative example.
제2 면(12)의 P 위치가 아니라 피검사체(10) 내부의 결함(20)에서 반사된 비교 신호의 경우, 제2 고조파 성분(Spectrum of 2nd harmonics)의 크기(magnitude)는 기본 성분(Spectrum of fundamental frequency)을 기준으로 거의 0에 수렴하는 값을 가질 수 있다.In the case of a comparison signal reflected at the
따라서, 노이즈가 존재하는 실제 현장에서는 피검사체(10) 내부의 결함(20)을 대상으로 하는 비교 신호를 이용해서 비선형 파라미터값의 산출이 불가능하다.Therefore, it is impossible to calculate the nonlinear parameter value by using the comparison signal for the
본 발명에 따르면, 제1 반사 신호는 제2 면(12)에 반사되므로 매우 큰 magnitude를 갖는 제2 고조파 성분을 포함할 수 있다. 따라서, 각종 노이즈의 존재에도 불구하고, 제2 고조파 성분을 구분해서 처리할 수 있으므로, 실제 현장에서도 비선형 파라미터값을 산출할 수 있다. 비선형 파라미터값은 추후 피검사체(10) 내부의 결함 파악에 이용될 수 있다.According to the present invention, the first reflected signal may include a second harmonic component having a very large magnitude since it is reflected on the
도 5는 본 발명의 초음파 진단 방법을 나타낸 개략도이다.5 is a schematic view showing the ultrasonic diagnostic method of the present invention.
먼저, 조사부(110)의 레이저 가진에 의해 피검사체(10)의 제1 면(11)에 초음파가 방사될 수 있다.First, ultrasonic waves can be radiated to the
피검사체(10)의 내부를 통과한 초음파는 제2 면(12)에서 반사되어(제1 반사 신호) 제1 면(11)에 배치된 복수의 탐촉자(130)에 수신될 수 있다.Ultrasonic waves passing through the inside of the subject 10 can be received by a plurality of
각 탐촉자(130)에서 수신한 제1 반사 신호를 시간 역전시킨 후 재송신하면 제2 면(12)의 반사 위치 P에 빔(시간 역전 신호)이 집속될 수 있다.When the first reflection signal received by each
시간 역전 신호가 위치 P에서 반사된 제2 반사 신호를 각 탐촉자(130)에서 수신하고, 신호 처리한 후 기본 주파수 성분과 제2 고조파 성분을 구할 수 있다.The second reflected signal, which is the time reversal signal reflected at the position P, is received by each
각 탐촉자(130)의 전달함수를 곱하여 절대 변위로 변환하고, 탐촉자(130)에 시간 지연을 적용해서 수신파를 합성할 수 있다.It is possible to multiply the transmission function of each
회절/감쇠 보정전의 비선형 파라미터 값을 구하고, 회절 및 감쇠를 보정하여 최종적인 비선형 파라미터값을 구할 수 있다.The nonlinear parameter values before the diffraction / attenuation correction are obtained, and the final nonlinear parameter values can be obtained by correcting the diffraction and attenuation.
본 발명의 초음파 진단 장치는 비접촉식 가진과 반사법의 적용을 통해 피검사체(10)의 일면만 이용하므로 현장 적용성이 매우 높다. 빔 집속을 위해 피검사체(10)의 내부를 전파하여 되돌아온 신호를 이용하기 때문에 배열 탐촉자(130)의 제원이나 피검사체(10)의 기하학적 형상, 물성을 사전에 알 필요가 없다. 탐촉자(130)의 교정을 통해 피검사체(10)의 절대 비선형 파라미터값을 측정하며, 회절 및 감쇠 보정을 적용해서 보다 정확한 비선형 파라미터값을 제공할 수 있다. 최소 4채널의 배열 탐촉자(130)를 이용해서 비선형 초음파 진단 장치가 구성되므로, 생산성이 높은 장점이 있다.The ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention uses only one surface of the subject 10 through the application of the non-contact type excitation and reflection method, so that the applicability to the field is very high. It is not necessary to know the specification of the
본 발명의 초음파 진단 장치는 최초 가진을 위해 시편의 위쪽에서 비접촉식 레이저를 쏘고, 시편의 저면에서 반사된 신호를 시편 윗면에 배치한 배열형 탐촉자로 수신하며, 반사된 신호를 신호처리하여 기본 주파수와 제2 고조파(비선형 성분) 신호를 추출 후 비선형 파라미터 측정하는 방식일 수 있다.The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention shoots a non-contact type laser at the top of the specimen for initial excitation and receives the reflected signal from the bottom of the specimen with the array type probe disposed on the specimen. And extracting the second harmonic (nonlinear component) signal and then measuring the nonlinear parameter.
정리하면, 비접촉 방식 레이저 가진(시편으로 이격된 위치에서 레이저 조사)을 통해 시편 내부 초음파 생성, 단일 탐촉자가 복수로 배열된 배열 탐촉자를 이용해서 시편 저면으로부터 반사된 제1 반사 신호를 수신, 수신된 제1 반사 신호를 시간 역전후 동시에 재송신(이때, 배열 탐촉자에 고전압을 인가하여 시편에 비선형 초음파를 생성함), 시편 저면의 제2 반사 신호 획득, 배열 탐촉자로 신호 수신, 분석하여 기본 주파수와 제2 고조파 성분 획득, 비선형 파라미터 계산이 순서대로 이루어질 수 있다.In summary, ultrasonic generation of a specimen through a non-contact laser excitation (laser irradiation at a position separated by a specimen), receiving a first reflection signal reflected from the bottom of the specimen using a plurality of array transducers arranged in a single transducer, The first reflected signal is simultaneously retransmitted after time reversal (at this time, a high voltage is applied to the array probe to generate a nonlinear ultrasonic wave on the specimen), a second reflected signal acquisition on the bottom of the specimen, 2 Harmonic component acquisition, nonlinear parameter calculation can be done in order.
시간 역전 후, 동시 재송신을 통하여 시편 저면의 특정 지점에 신호를 집속하는 것이 중요하다.After time reversal, it is important to concentrate the signal at a specific point on the bottom of the specimen through simultaneous retransmission.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.
10...피검사체 11...제1 면
12...제2 면 20...결함
110...조사부 130...탐촉자
131...제1 수신부 132...제2 수신부
133...송신부 150...처리부
151...오실로스코프 153...처리 모듈
155...멀티 채널 펑션 제너레이터
157...멀티 채널 증폭기 159...임피던스 매칭기10: subject to be inspected 11: first surface
12 ...
110 ...
131 ... first receiving unit 132 ... second receiving unit
133 ...
151 ...
155 ... Multi-channel function generator
157 ...
Claims (6)
상기 초음파가 상기 제2 면에서 반사된 제1 반사 신호를 수신하는 제1 수신부;
상기 제1 반사 신호의 시간 역전 신호를 생성해서 상기 제2 면을 향해 송신하는 송신부;
상기 시간 역전 신호가 상기 제2 면에서 반사된 제2 반사 신호를 수신하는 제2 수신부;
상기 제2 반사 신호를 이용해서 상기 피검사체의 비선형 파라미터값을 산출하는 처리부;를 포함하고,
상기 제1 수신부, 상기 제2 수신부 및 상기 송신부는 모두 상기 제1 면 상에 형성되며,
상기 제1 면에는 상기 제1 수신부, 상기 제2 수신부, 상기 송신부가 일체로 형성된 배열 탐촉자가 마련되고,
상기 조사부는 상기 피검사체로부터 이격된 위치에서 상기 제1 면을 향해 레이저를 조사하는 레이저 조사기를 포함하며,
상기 제1 면에 조사된 상기 레이저의 가진(excitation)에 의해 상기 초음파가 생성되고,
상기 배열 탐촉자에 수신된 상기 제1 반사 신호가 시간 역전 처리된 상기 시간 역전 신호가 상기 배열 탐촉자를 통해 동시에 재전송되며,
상기 시간 역전 신호가 재전송될 때 상기 피검사체에 비선형 초음파를 생성하는 고전압이 상기 배열 탐촉자에 인가되고,
상기 처리부는 상기 제2 반사 신호를 분석해서 기본 주파수 성분과 제2 고조파 성분을 추출하고, 상기 제2 고조파 성분을 이용해서 상기 비선형 파라미터값을 산출하는 초음파 진단 장치.
An irradiating unit for generating ultrasonic waves propagated from the first surface to the second surface of the object to be inspected;
A first receiving unit for receiving a first reflected signal of the ultrasonic wave reflected from the second surface;
A transmitter configured to generate a time reversal signal of the first reflected signal and transmit the generated signal to the second surface;
A second receiver for receiving the second reflection signal, the time reversal signal being reflected from the second surface;
And a processing unit for calculating a nonlinear parameter value of the subject using the second reflected signal,
Wherein the first receiving unit, the second receiving unit, and the transmitting unit are all formed on the first surface,
An array transducer in which the first receiver, the second receiver, and the transmitter are integrally formed on the first surface,
Wherein the irradiating unit includes a laser irradiator for irradiating a laser toward the first surface at a position spaced apart from the object to be inspected,
The ultrasonic wave is generated by excitation of the laser beam irradiated on the first surface,
The time reversed signal obtained by time-reversing the first reflection signal received by the array transducer is simultaneously retransmitted through the array transducer,
Wherein when the time reversal signal is retransmitted, a high voltage for generating nonlinear ultrasonic waves in the subject is applied to the array transducer,
Wherein the processor analyzes the second reflected signal to extract a fundamental frequency component and a second harmonic component, and calculates the nonlinear parameter value using the second harmonic component.
상기 처리부는 상기 기본 주파수 성분과 제2 고조파 성분 각각에 상기 탐촉자의 전달함수를 곱하여 절대 변위로 변환하며, 상기 탐촉자에 시간 지연을 적용해서 상기 제2 반사 신호를 합성해서 상기 비선형 파라미터값을 산출하는 초음파 진단 장치.
The method according to claim 1,
The processing unit may multiply the fundamental frequency component and the second harmonic component by a transfer function of the transducer to convert the basic frequency component and the second harmonic component into absolute displacements and apply a time delay to the transducer to synthesize the second reflected signal to calculate the non- Ultrasonic diagnostic equipment.
상기 처리부는 상기 제2 반사 신호의 회절 또는 감쇠를 보정해서 상기 비선형 파라미터값을 산출하는 초음파 진단 장치.6. The method of claim 5,
And the processing unit corrects the diffraction or attenuation of the second reflected signal to calculate the nonlinear parameter value.
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