KR102116051B1

KR102116051B1 - 배열형 초음파 센서를 이용한 펄스 에코형 비선형 검사 장치

Info

Publication number: KR102116051B1
Application number: KR1020180086801A
Authority: KR
Inventors: 정현조
Original assignee: 원광대학교 산학협력단
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-05-27
Also published as: KR20200011835A

Abstract

본 발명의 검사 장치는 피검사체의 제1 면에 제1 초음파를 인가하는 제1 조사부; 상기 제1 면에 제2 초음파를 인가하는 제2 조사부; 상기 피검사체를 통과한 반사 신호를 수신하는 수신부; 상기 반사 신호를 분석해서 상기 피검사체의 결함 또는 성질을 분석하는 처리부;를 포함하고, 상기 제1 조사부 및 상기 제2 조사부는 서로 다른 위상을 갖는 상기 제1 초음파 및 상기 제2 초음파를 생성할 수 있다.

Description

배열형 초음파 센서를 이용한 펄스 에코형 비선형 검사 장치{PULSE-ECHO NONLINEAR NONDESTRUCTIVE INSPECTION DEVICE USING ARRAY TYPE ULTRASONIC TRANSDUCERS}

본 발명은 초음파를 이용하여 피검사체의 결함을 검사하는 초음파 비파괴 검사 장치에 관한 것이다.

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.

그러나, 닫힌 균열 또는 부분적으로 닫힌 균열의 경우 균열 선단부의 회절 신호가 아주 미약하거나 균열면의 반사 신호가 나타나지 않기 때문에 결함의 검출이 매우 어렵다.

결함에 빔을 집속하고 이에 따라 검출 신호를 강화하는 위상배열 초음파 검사가 개발되고 있지만 비선형 결함인 균열의 검출에는 개선 효과를 기대하기 힘들다.

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.

한국등록특허공보 제1414520호에는 서로 다른 주파수의 신호들을 인가하여 구조물을 진동시켜서 구조물의 소상 유무를 판별하는 기술이 개시되고 있다.

한국등록특허공보 제1414520호

본 발명은 피검사체의 종류, 수신부의 위치를 불문하고 비파괴 검사를 정상적으로 수행할 수 있는 초음파 비파괴 검사 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따르면, 펄스 에코법의 적용을 통해 피검사체의 한 면만 이용해서 비파괴 검사가 가능하다. 따라서, 현장 적용성이 매우 높고, 주어진 피검사체의 재료와 형상에 따라 항상 최적화된 제2 하모닉 성분파 성분의 생성이 가능하다.

제2 하모닉 성분파 성분에 기초한 배열 탐촉자를 적용하면, 수신부의 교정, 회절 및 감쇠 보정이 정확하게 실시되므로 피검사체의 절대 비선형 파라미터 값이 측정될 수 있다.

최대 3-4개의 채널의 배열 탐촉자를 이용한 비선형 초음파 진단 장치를 구성함으로써 가격적인 면에서 저렴한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 초음파 검사 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 비교 실시예의 초음파 진단 수단을 나타낸 개략도이다.
도 3은 비교 실시예의 수신파 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 검사 장치를 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 조사부를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 시간 역전 처리에 의한 초음파 빔 집속 과정을 설명하는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 초음파 진단 방법을 나타낸 개략도이다.

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.

도 1은 본 발명의 초음파 검사 장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 비교 실시예의 초음파 진단 수단을 나타낸 개략도이다. 도 3은 비교 실시예의 수신파 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

강력한 세기의 단일 주파수 초음파가 피검사체(10) 내부를 전파할 때, 피검사체 재료의 비선형성 또는 피검사체의 손상에 의한 하모닉 성분파가 추가로 발생된다. 추가 발생된 하모닉 성분파의 변화를 관찰하여 재료 성질 또는 손상을 탐지, 검사하는 비파괴 검사법을 비선형 초음파법이라고 한다.

기본적으로 종파, 표면파, 램파 등을 이용하여 제2 하모닉 성분파를 관찰하는 비선형 초음파법이 사용되고 있으며, 종파의 경우 피검사체의 양면을 모두 필요로 하는 투과법이 전적으로 이용되고 있다. 그러나, 종파에 의한 투과법은 실제 적용에 있어 많은 제약을 초래하고 있다.

기존 비선형 초음파법에서는 도 2와 같이 소성 변형, 피로, 크리프 등을 갖는 손상 재료(이하, 피검사체(10))에 강력한 세기의 단일 주파수 ω1의 초음파 vi를 입사하는 진동자(91)가 이용된다.

일 예로, 피검사체(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)이 마련될 수 있다. 제2 면(12)은 제1 면(11)의 반대면일 수 있다. 제1 면(11)에 진동자(91)가 배치된 경우, 초음파 vi는 제2 면(12)을 향해 전파되며, 초음파 vi의 전파 과정 중 제2 하모닉 성분파 v2가 발생된다. 펄스 에코형 비선형 초음파 시험에서 최초 발생된 제2 하모닉 성분파 v2는 응력 자유 경계면에서 반사될 수 있다. 이때, 응력 자유 경계면은 제2 면(12)에 해당할 수 있다. 응력 자유 경계면은 매질이 급변하는 면으로, 다른 물체(대기 포함)와 만나는 피검사체의 단부면에 해당할 수 있다.

제2 하모닉 성분파 v2가 응력 자유 경계면에서 반사된 후 제2 반사 하모닉 성분파 r2가 새롭게 생성될 수 있다. 이때, 제2 하모닉 성분파 v2와 제2 반사 하모닉 성분파 r2는 응력 자유 경계면에서 상쇄 간섭되고, 제1 면(11)의 수신자(93)에서는 거의 0이 된다. 따라서, 초음파 검사시 수신자(93)가 진동자(91)의 반대편에 배치되는 투과법이 이용되고 있다. 그러나, 진동자(91)와 수신자(93)가 피검사체(10)의 반대면에 각각 배치되는 투과법은 실제 적용에 있어 많은 제약을 초래한다.

투과법에 의한 제약을 없애고, 비선형 초음파 검사의 현장 적용성을 획기적으로 개선하기 위하여 펄스 에코법의 개발이 필요하다. 그러나, 펄스 에코형 비선형 초음파의 경우 응력 자유 경계면이 포함되고, 이로부터 반사되는 제2 하모닉 성분파의 상쇄 간섭으로 인하여 제2 하모닉 성분파와 관련된 수신 신호의 진폭이 도 3과 같이 매우 미약하다.

도 3을 살펴보면, 제2 하모닉 성분파 v2 및 제2 반사 하모닉 성분파 r2 간의 상쇄 간섭이 이루어지는 비교 실시예의 경우, 제2 하모닉 성분파 성분(Spectrum of 2nd harmonics)의 크기(magnitude)는 기본 성분(Spectrum of fundamental frequency)을 기준으로 거의 0에 수렴하는 값을 가질 수 있다. 따라서, 노이즈가 존재하는 실제 현장에서는 피검사체(10) 내부의 결함(20)을 대상으로 하는 비선형 파라미터값의 산출이 현실적으로 불가능하다.

따라서, 제2 하모닉 성분파 성분의 발생을 증가시켜 비선형 초음파 검사법을 용이하게 적용할 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명의 검사 장치는 배열형 초음파 센서(Array sensor), 위상차(phase shift), 파동 합성(wave mixing)의 원리를 적용하여 펄스 에코형 비선형 초음파 검사에서 제2 하모닉 성분파의 크기(진폭)를 증가시킬 수 있다. 본 발명의 검사 장치는 크기가 증가된 제2 하모닉 성분파를 이용해서 다양한 피검사체의 성질과 손상도를 정확하게 검사할 수 있다.

본 발명의 검사 장치는 제1 조사부(111), 제2 조사부(112), 수신부(130), 처리부(150)를 포함할 수 있다.

제1 조사부(111)는 피검사체의 제1 면에 제1 초음파 vi1을 인가할 수 있다.

피검사체 내부에는 제1 초음파 vi1에 의해 제2 하모닉 성분파 성분 v21이 생성될 수 있다.

제2 조사부(112)는 피검사체의 제1 면에 제2 초음파 vi2를 인가할 수 있다.

피검사체 내부에는 제2 초음파 vi2에 의해 제2 하모닉 성분파 성분 v22가 생성될 수 있다.

제1 초음파 vi1으로 인해 생성된 제2 하모닉 성분파 성분 v21과 제2 초음파 vi2로 인해 생성된 제2 하모닉 성분파 성분 v22이 응력 자유 경계면으로부터 반사될 때 서로 보강 간섭되도록, 제1 초음파 및 제2 초음파는 설정 위상차를 갖고, 피검사체의 제1 면에 동시에 제1 초음파 및 제2 초음파를 인가할 수 있다.

피검사체의 제1 면에 서로 다른 위상을 갖는 제1 초음파와 제2 초음파가 동시에 인가되면, 제1 초음파로 인해 생성된 제2 하모닉 성분파 성분 v21과 제2 초음파로 인해 생성된 제2 하모닉 성분파 성분 v22는 응력 자유 경계면에서 상쇄 간섭 대신 보강 간섭될 수 있다. 보강 간섭된 2개의 제2 하모닉 성분파 성분 v21 및 v22로 인해, 수신부로 수신되는 제2 하모닉 성분파의 크기가 획기적으로 증가될 수 있다.

만약, 제1 초음파 및 제2 초음파를 기준으로, 설정 위상차를 갖는 제3 초음파 vi3를 생성하는 제3 조사부(113)이 추가된다면, 수신부에 수신되는 제2 하모닉 성분파에는 제3 초음파 vi3에 의해 생성된 제2 하모닉 성분파 성분 v23가 추가로 보강 간섭된 상태일 수 있다. 따라서, 제3 조사부(113), 제4 조사부,...등이 추가될수록 수신부에 수신되는 제2 하모닉 성분파의 크기(진폭)가 증가될 수 있다. 제3 조사부(113) 등도 제1 조사부 및 제2 조사부와 마찬가지로 피검사체의 제1 면에 초음파를 동시에 인가할 수 있다. 제1 초음파, 제2 초음파, 제3 초음파 간의 위상차는 도 1의 (b)와 같이

일 수 있다. 본 실시예에 따르면, 도 1의 (c)의 수신파 스펙트럼과 같이 각 초음파의 기본 진동수 ω1, 제2 하모닉 성분파의 진동수 2ω1 모두 보강 간섭으로 인해 크기(진폭)가 획기적으로 증가할 수 있다.

제1 조사부 및 제2 조사부가 피검사체의 제1 면에 각 초음파 vi1, vi2를 인가할 때, 수신부(130)는 제1 면에서 제2 하모닉 성분파를 수신할 수 있다.

수신부(130)는 제1 조사부 및 제2 조사부의 가운데에 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 조사부는 제1 면의 제1 지점에 제1 초음파 vi1을 인가할 수 있다. 제2 조사부는 제1 조사부를 둘러싸는 제2 지점에 제2 초음파 vi2를 인가할 수 있다. 제3 조사부는 제2 조사부를 둘러싸는 제3 지점에 제3 초음파 vi3를 인가할 수 있다. 이때, 수신부(130)는 제1 지점에 설치될 수 있다. 이 경우, 수신부는 제1 조사부와 일체로 형성될 수 있다.

또는 수신부(130)는 제1 면에 복수로 배치될 수 있다. 이때, 각 수신부는 각 조사부와 일체로 형성될 수 있다.

각 조사부는 높은 전압에 견딜 수 있어야 하며, 각 수신부는 기본파(제1 초음파, 제2 초음파,... 등)와 제2 하모닉 성분파 성분(v21, v22,... 등)을 모두 수신할 수 있는 광대역의 주파수 밴드폭을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 일반적으로 수십개의 진동자 및 수신자를 사용하는 선형 초음파용 위상배열 탐촉자(phased array trasducer)와는 달리, 비선형 초음파용으로 단지 서너 개의 요소만을 이용하고, 각 요소들 간에 서로 다른 위상차를 적용하여 펄스-에코 모드에서 제2 하모닉 성분파의 생성을 최적화할 수 있다.

본 발명에 따르면, 펄스-에코 비선형 초음파용 배열 센서와 관련하여 센서용 압전 재료를 다양화할 수 있다. 또한, 이론 해석에 기초하여 주어진 피검사체의 두께, 형상에 따라 제2 하모닉 성분파의 생성과 비선형 파라미터의 측정을 최적화하기 위하여 센서의 재료, 요소 수, 기하학적 형상, 주파수, 적용 위상차, 수신 방법 등을 최적화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 평면형 피검사체뿐만 아니라, 곡면을 갖는 튜브형의 피검사체에도 비파괴 검사를 적용할 수 있다.

제2 하모닉 성분파 성분의 크기를 개선하기 위해, 제1 조사부, 제2 조사부, 수신부의 초기 세팅이 매우 중요하다.

비선형 초음파 발생 및 수신을 위한 배열형 초음파 센서용으로 적합한 압전 재료의 선정 및 배열형 초음파 센서 제작 기술이 요구된다. 압전 재료는 압전 세라믹과 압전 고분자를 모두 포함할 수 있다.

제1 조사부 및 제2 조사부의 펄스 에코 모드를 측정하고, 특성을 평가할 수 있는 기술이 요구된다.

펄스 에코 모드의 응력 자유 경계면에서 제2 하모닉 성분파의 최적 생성을 위한 상대적 위상차 적용에 있어서, 최적의 입력 신호 특성을 결정하는 기술이 요구된다. 신호의 모양, 사이클 수, 주파수 등을 측정하고 최적값을 결정할 수 있는 기술이 요구된다.

펄스-에코용 비선형 초음파 배열형 센서의 최적화 기술이 요구된다. 예를 들어, 요소(조사부, 수신부)의 개수, 크기, 기하학적 형상, 주파수, 단일 요소 수신 또는 일부 요소 수신 또는 전체 요소 수신, 제작 및 평가 방법이 요구된다.

각 요소에 필요한 최적 송신 위상차의 결정과 해당 위상차의 적용 기술이 요구된다. 또한, 각 요소에 입력 파동의 인가 기술이 요구된다.

위상차가 적용된 펄스-에코 모드에서 배열형 초음파 센서의 다양한 가진에 의해 발생/수신되는 선형 및 비선형 파동의 음장 해석 기술이 요구되며, 이는 본 발명의 처리부(150)에 의해 처리될 수 있다.

처리부(150)는 수신부를 통해 수신된 수신파를 신호 처리하고, 다양한 주파수 성분을 추출하며 분석할 수 있다.

처리부(150)는 피검사체의 감쇠로 인한 보정과 배열형 센서의 회절 효과를 고려하여 비선형 파라미터를 측정하고 평가할 수 있다.

조사부는 피검사체에 대한 접촉식 또는 비접촉식 방법으로 초음파를 가진(excitation)할 수 있다.

실제 현장에서 피검사체의 손상 위치를 파악하는 등의 진단을 수행하기 위해서는, 피검사체를 통과한 신호를 수신하는 수신부의 교정을 통한 절대적 비선형 파리미터값의 측정이 요구된다. 수신부의 교정 작업은 해당 신호에 포함된 제2 하모닉 성분파 성분을 이용해서 이루어진다. 그러나, 이미 알려진 비선형 초음파 검사법의 경우 측정되는 제2 하모닉 성분파 성분이 거의 0이 되는 치명적인 한계를 갖는다. 따라서, 기존의 비선형 초음파 검사법은 제2 하모닉 성분파의 검출을 어렵게 하는 각종 노이즈가 산재하는 실제 현장에서는 사용되지 못하고, 노이즈의 배제가 가능한 실험실에서만 적용되고 있다.

도 4는 본 발명의 검사 장치를 나타낸 블록도이다. 도 5는 본 발명의 다른 조사부를 나타낸 개략도이다. 도 6은 본 발명의 시간 역전 처리에 의한 초음파 빔 집속 과정을 설명하는 모식도이다. 도 7은 본 발명의 초음파 진단 방법을 나타낸 개략도이다.

노이즈에 강건한, 다시 말해 강한 세기를 갖는 제2 하모닉 성분파를 생성하기 위해 본 발명의 검사 장치는 제1 조사부(111), 제2 조사부(112), 수신부(130), 처리부(150)를 포함할 수 있다.

제1 조사부(111)는 피검사체(10)의 제1 면(11)으로부터 제2 면(저면)(12)까지 전파되는 제1 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.

제2 조사부(111)는 피검사체의 제1 면(11)으로부터 제2 면(12)까지 전파되는 제2 초음파를 생성할 수 있다. 이때, 제2 초음파는 제1 초음파를 기준으로

위상차를 가질 수 있다.

수신부(130)는 피검사체(10)의 제1 면(11)에 장착되고 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 수신할 수 있다.

수신부는 하나 또는 복수로 마련될 수 있다. 수신부는 각 조사부와 일체로 형성될 수도 있다.
다른 예로, 도 5와 같이 제1 조사부(111) 및 제2 조사부(112)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 제1 초음파 및 제2 초음파가 생성되거나, 제1 초음파와 제2 초음파의 합성 파형이 생성될 수 있다.

삭제

제1 반사 신호는 제1 면(11)으로부터 피검사체(10)의 제2 면(저면)(12)까지 전파된 초음파가 반사된 신호일 수 있다.

제2 반사 신호는 제1 면(11)으로부터 제2 면(12)까지 전파된 시간 역전 신호가 반사된 신호일 수 있다. 이때, 시간 역전 신호는 제1 반사 신호를 이용해서 생성된 것일 수 있다.

제1 면에 접촉되거나 제1 면으로부터 이격된 조사부는 초음파를 생성해서 제2 면(12)을 향해 방사할 수 있다. 공간 분해능의 개선을 위해 복수의 수신부(130)는 초음파가 투입되는 피검사체 지점을 기준으로 점대칭되는 위치에 배치될 수 있다.

제1 면(11)에 배치된 복수의 수신부(130)는 초음파가 제2 면(12)에서 반사된 제1 반사 신호를 수신할 수 있다.

복수의 수신부(130)는 시간 역전 신호를 다시 방사할 수 있다. 시간 역전 신호는 제1 면(11)으로부터 제2 면(12)을 향해 전파되고, 제2 반사 신호는 복수의 수신부에 수신될 수 있다.

제1 반사 신호가 제2 면(12) 상의 특정 위치 P로부터 반사된 것일 때, 복수의 수신부(130)로부터 방사된 시간 역전 신호는 특정 위치 P에 집속될 수 있다. 특정 위치 P에 복수의 수신부(130)로부터 방사된 복수의 빔이 집속되므로, 특정 위치 P에서 반사된 빔에 해당하는 제2 반사 신호의 분해능이 개선될 수 있다.

수신부(130)는 제1 반사 신호의 시간 역전 신호가 제2 면(12)에서 반사된 제2 반사 신호를 수신할 수 있다.

처리부(150)는 제2 반사 신호를 이용해서 피검사체(10)의 비선형 파라미터값을 산출할 수 있다.

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 하모닉 성분파 성분이 포함될 수 있다. 제2 면(12)에 반사된 신호에 포함된 제2 하모닉 성분파 성분은 노이즈와 구분될 수 있으므로, 노이즈가 혼재하는 실제 현장에서도 용이하게 파악될 수 있다.

보다 더 노이즈에 강건한 제2 하모닉 성분파 성분을 얻기 위해 피검사체(10)의 제1 면(11)에 배치된 복수의 수신부(130)는 P 위치에 집속되는 집속 빔을 생성할 수 있다.

확실한 빔 집속을 위해 3채널 이상의 배열형 수신부(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.

각 수신부(130)로부터 피검사체(10)에 방사되는 신호는 시간 역전 처리된 것이므로 피검사체(10)의 특성을 포함한 사전 정보를 몰라도 비선형 결함이 존재하는 P 위치에 정확하게 초음파 빔이 집속될 수 있다.

수신부(130) 또는 처리부(150)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.

도면에서는 N개의 수신부(130)가 배열된 어레이 트랜스듀서에 대한 시간 역전법을 도시하고 있지만, 본 발명의 실시예는 어레이 트랜스듀서에 한정되지 않고 낱개로 설치되는 수신부(130)에 의하여도 얼마든지 구현할 수 있다.

도 6의 첫째 그림을 참조하면 어레이 트랜스듀서에 마련되는 N개의 수신부(130) 중에서 하나를 가진시킨다. 가진된 입사파는 피검사체(10)에 전파된다.

도 6의 두번째 그림을 참조하면 피검사체(10)의 경계면에 해당하는 제2 면(12)의 P 위치에 반사되는 산란 신호(제1 반사 신호)는 각 수신부(130)에 수신된다. 피검사체(10)의 매질 특성, 피검사체(10)의 표면 지오메트리, 제1 면(11)에 배치된 각 수신부(130)로부터 제2 면(12)까지의 거리 차이는 각 수신부(130)별 에코 신호의 시간 지연량 차이나 각 수신부(130)의 파형 차이와 같은 물리량으로 표현된다.

본 발명의 시간 역전법에 따르면 시간 지연량 차이나 파형 차이에 관한 데이터를 요구할 뿐 사전 정보에 대한 지식은 전혀 필요로 하지 않는다.

P 위치까지의 거리를 초음파의 속도로 나눈 것이 전파 시간이므로, 각 수신부(130)별 시간 지연량 차이나 파형 차이에는 피검사체(10)의 표면 지오메트리나, 각 수신부(130)로부터 P 위치까지의 거리 차이 등의 사전 정보가 이미 포함되어 있다. 따라서, 수신부(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.

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. 더욱이 본 발명에 따르면, 제1 초음파와 제2 초음파로 인해 제2 하모닉 성분파의 크기가 대폭 증가될 수 있다.

도 6의 세번째 그림을 참조하면, 사전 정보를 획득할 필요없이, N개의 수신부(130)에 입수된 파형(제1 반사 신호)을 각 수신부(130)별 시간 지연량 차이를 근거로 해서 시간 역전 처리한다. 각 수신부(130)는 시간 역전 처리된 새로운 파형(시간 역전 신호)을 피검사체(10)에 입사시킨다. 시간 역전 처리된 초음파 빔(시간 역전 신호)은 P 위치에 정확하게 집속된다.

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.

도 6의 네번째 그림을 참조하면, P 위치에 집중된 초음파 빔(시간 역전 신호)은 각 수신부(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.

즉, 시간 역전법에 의하여 산출된 시간 지연량을 반영하여 시간 역전 처리한 상태에서 각 수신부(130)를 가진시키면, 가진된 초음파는 P 위치에 집속되게 전파된다. P 위치에 초음파가 집속되면 신호대 잡음비가 개선되므로 깨끗한 결함 영상을 얻을 수 있다.

비선형 결함의 검사 정확도 향상을 위하여 수신부(130)의 신호 수신 시간은 신호 송신 시간보다 더 긴 것이 바람직하다. 제1 반사 신호의 수신 시간이 길어질수록 하모닉 성분파 성분의 피크 진폭이 증가되므로 노이즈 없이 순수한 하모닉 성분파 성분이 추출될 수 있다.

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 하모닉 성분파 스펙트럼을 추출할 수 있다. 처리부(150)는 추출된 하모닉 성분파 스펙트럼을 시간 역전 처리한 후 시간 영역으로 변환해서 시간 역전 신호를 생성할 수 있다. 처리부(150)는 시간 역전 신호를 증폭한 다음 수신부(130)로 제공할 수 있다.

수신부(130)는 처리부(150)로부터 제공된 시간 역전 신호를 피검사체(10)를 향하여 재방사할 수 있다.

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 수신부(130)로 입수될 수 있다.

처리부(150)는 각 수신부(130)로 입수된 제1 반사 신호 또는 제2 반사 신호를 처리할 수 있다. 처리부(150)는 제2 반사 신호를 분석해서 기본 주파수 성분과 제2 하모닉 성분파 성분을 추출하고, 제2 하모닉 성분파 성분을 이용해서 상기 비선형 파라미터값을 산출할 수 있다. 이때의 제2 하모닉 성분파 성분은 초기 단계에서 제1 조사부 및 제2 조사부에 의해 제공된 제1 초음파 및 제2 초음파에 의해 크기가 획기적으로 증가된 상태일 수 있다.

처리부(150)는 기본 주파수 성분 또는 제2 하모닉 성분파 성분에 수신부(130)의 전달함수를 곱하여 절대 변위로 변환할 수 있다. 처리부(150)는 수신부(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.

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.

오실로스코프(151)는 수신부(130)로부터 수신된 제1 반사 신호 또는 제2 반사 신호를 모니터링하고, 처리 모듈(153)에 제공할 수 있다.

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.

처리 모듈(153)에는 수신부 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.

수신부 교정 모듈은 제2 하모닉 성분파 성분의 절대 변위를 파악하기 위해 수신부(130)의 수신 주파수 등을 교정할 수 있다.

시간 역전 신호 처리 모듈은 각 수신부(130)에서 수신한 제1 반사 신호에 시간 역전법을 적용할 수 있다.

수신 신호 처리 모듈은 제1 반사 신호 또는 제2 반사 신호를 처리할 수 있다. 일 예로, 수신 신호 처리 모듈은 복수의 수신부(130)로부터 획득된 복수의 제2 반사 신호에 시간 지연을 적용한 후 합성할 수 있다.

절대 변위 계산 모듈은 기본 주파수 성분 또는 제2 하모닉 성분파 성분에 수신부(130)의 전달함수를 곱하여 제2 하모닉 성분파 성분 등의 절대 변위를 계산할 수 있다.

비선형 파라미터값 계산 모듈은 계산된 절대 변위를 이용해서 수학식 1과 같은 비선형 파라미터값 β를 산출할 수 있다.

회절 및 감쇠 보정 모듈은 제2 반사 신호 등에 포함된 회절 요소 및 감쇠 요소를 보정할 수 있다.

수신부 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.

멀티 채널 평션 제너레이터는 제1 반사 신호가 처리된 결과를 이용해서 제1 면(11)에 설치된 복수의 수신부(130)에 할당되는 각 시간 역전 신호를 생성할 수 있다.

멀티 채널 증폭기는 각 수신부(130)에 할당된 시간 역전 신호를 증폭할 수 있다.

임피던스 매칭기는 시간 역전 신호가 제1 면(11)에서 반사되어 처리부(150)로 되돌아오는 것을 방지하는 것이다.

본 발명의 초음파 진단 방법은 다음과 같다.

먼저, 제1 조사부(111) 및 제2 조사부(112)의 가진에 의해 피검사체(10)의 제1 면(11)에 초음파가 방사될 수 있다. 이때의 제1 초음파 및 제2 초음파는 서로 다른 위상을 가질 수 있다.

피검사체(10)의 내부를 통과한 제1 초음파 및 제2 초음파는 제2 면(12)에서 반사되어(제1 반사 신호) 제1 면(11)에 배치된 복수의 수신부(130)에 수신될 수 있다. 제1 반사 신호가 수신되는 탐촉자에는 초음파를 생성한 탐촉자도 포함될 수 있다.

각 수신부(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.

시간 역전 신호가 위치 P에서 반사된 제2 반사 신호를 각 수신부(130)에서 수신하고, 신호 처리한 후 기본 주파수 성분과 제2 하모닉 성분파 성분을 구할 수 있다.

각 수신부(130)의 전달함수를 곱하여 절대 변위로 변환하고, 수신부(130)에 시간 지연을 적용해서 수신파를 합성할 수 있다.

회절/감쇠 보정전의 비선형 파라미터 값을 구하고, 회절 및 감쇠를 보정하여 최종적인 비선형 파라미터값을 구할 수 있다.

본 발명의 초음파 진단 장치는 제1 초음파 및 제2 초음파를 이용하고, 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 수신부(130)의 제원이나 피검사체(10)의 기하학적 형상, 물성을 사전에 알 필요가 없다. 수신부(130)의 교정을 통해 피검사체(10)의 절대 비선형 파라미터값을 측정하며, 회절 및 감쇠 보정을 적용해서 보다 정확한 비선형 파라미터값을 제공할 수 있다. 최소 3채널의 배열 수신부(130)를 이용해서 비선형 초음파 진단 장치가 구성되므로, 생산성이 높은 장점이 있다.

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.

10...피검사체 11...제1 면
12...제2 면 20...결함
111...제1 조사부 112...제2 조사부
130...수신부
150...처리부 151...오실로스코프
153...처리 모듈 155...멀티 채널 펑션 제너레이터
157...멀티 채널 증폭기 159...임피던스 매칭기

Claims

피검사체의 제1 면에 제1 초음파를 인가하는 제1 조사부;
상기 제1 면에 제2 초음파를 인가하는 제2 조사부;
상기 피검사체를 통과한 반사 신호를 수신하는 수신부;
상기 반사 신호를 분석해서 상기 피검사체의 결함 또는 성질을 분석하는 처리부;를 포함하고,
상기 피검사체의 결함 검사를 위해 펄스-에코 모드에서 제2 하모닉 성분파를 관찰하는 펄스-에코형 비선형 검사 장치이며,
상기 피검사체의 내부에 제1 초음파의 전파 과정중 생성된 제2 하모닉 성분파 성분과 제2 초음파의 전파 과정중 생성된 제2 하모닉 성분파 성분은 응력 자유 경계면으로부터 반사될 때 서로 상쇄 간섭 대신 보강 간섭되도록 상기 제1 초음파와 상기 제2 초음파는
의 위상차를 가지고, 상기 제1 조사부 및 상기 제2 조사부는 상기 피검사체의 제1 면에 상기 제1 초음파 및 상기 제2 초음파를 동시에 인가하며,
상기 수신부는 상기 제1 면에 배치되고,
상기 피검사체의 응력 자유 경계면으로부터 반사된 상기 반사 신호를 상기 제1 면에서 수신하며,
상기 보강 간섭된 2개의 제2 하모닉 성분파 성분으로 인해, 상기 수신부로 수신되는 상기 제2 하모닉 성분파의 크기가 증가되고,
상기 처리부는 상기 수신부로 입수된 반사 신호를 처리하며,
상기 처리부는 수신된 시간 영역의 상기 반사 신호를 푸리에 변환하여 주파수 스펙트럼이 구해지면 주파수 영역에서 윈도우 함수를 이용하여 하모닉 성분파 스펙트럼을 추출하고, 상기 처리부는 추출된 하모닉 성분파 스펙트럼을 시간 역전 처리한 후 시간 영역으로 변환해서 시간 역전 신호를 생성하며, 상기 시간 역전 신호를 증폭한 다음 상기 수신부로 제공하며, 상기 수신부는 상기 처리부로부터 제공된 시간 역전 신호를 상기 피검사체를 향하여 재방사하고,
상기 반사 신호는 상기 응력 자유 경계면과 같은 비선형 결함에 대한 정보를 포함하며,
상기 처리부는 상기 반사 신호를 분석해서 기본 주파수 성분과 제2 하모닉 성분파 성분을 추출하고, 상기 제2 하모닉 성분파 성분을 이용해서 비선형 파라미터값을 산출하고, 상기 비선형 파라미터값 산출시 이용되는 상기 제2 하모닉 성분파 성분은 상기 제1 초음파의 전파 과정중 생성된 제2 하모닉 성분파 성분과 제2 초음파의 전파 과정중 생성된 제2 하모닉 성분파 성분의 보강 간섭에 의해 크기가 증가된 상태이며,
상기 처리부는 제2 하모닉 성분파 성분에 상기 수신부의 전달함수를 곱하여 제2 하모닉 성분파 성분의 절대 변위를 계산하여 상기 비선형 파라미터값을 산출하는 검사 장치.
삭제
삭제
삭제