KR102414654B1 - 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법 - Google Patents

초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 초음파를 장애물 너머로 투과시킬 수 있는 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법에 관한 것이다.

Description

초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법{ULTRASONIC TRANSMISSION APPARATUS AND CONTROL METHOD OF WAVES}
본 발명은 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 초음파를 장애물 너머로 투과시킬 수 있는 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법에 관한 것이다.
한 매질에서 진행하는 초음파가 이종매질(二種媒質, Dissimilar medium)로 구성되는 장애물을 만나는 경우, 매질과 장애물 사이의 임피던스 차이로 인하여 많은 에너지가 반사되고 일부의 초음파 에너지만이 투과할 수 있다.
일반적으로, 장애물을 만났을 때 초음파의 투과율은 장애물과 진행매질 사이의 임피던스의 차이에 비례하여 커진다. 가령 물과 철의 임피던스는 30배 가량 차이 나기 때문에, 물 속의 철판 같은 장애물을 투과하여 진행하는 파동에너지는 매우 작다. 따라서, 이와 같은 장애물이 존재할 경우, 장애물 건너편에 존재하는 검사체에 대한 초음파 검사가 매우 어렵다.
이를 해결하기 위해서, 초음파가 장애물을 투과할 수 있도록 하는 여러 기술이 개발, 제안되었다. 초음파 투과에 관하여 널리 알려진 기술은 페브리-페로 공진(Fabry-Perot Resonance)을 이용하는 기술이다. 페브리-페로 공진이란 장애물의 두께가 장애물을 진행하는 초음파의 반파장의 정수배 (0.5n, n: 자연수, λ: 파장)인 경우 투과하는 초음파의 에너지가 최대가 되는 현상을 말한다.
하지만 본 기술은 장애물의 두께에 따라서 초음파의 최대투과율이 결정되는 주파수가 결정되고, 상당히 넓은 주파수 대역에 대해서는 초음파 투과에너지가 매우 낮다는 단점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 극복할 수 있는 초음파 투과 장치가 필요하다.
한국공개특허 제10-2012-0136985호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은, 초음파를 장애물 너머로 투과시킬 수 있는 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초음파 투과 장치는, 내부에 매질 및 피검사체를 갖고 외부에 장애물을 갖는 대상물에 초음파를 입사하여 초음파 검사를 수행하는 초음파 투과 장치로서, 입사파를 생성하는 초음파 생성 장치; 상기 장애물과 상기 초음파 생성 장치 사이에 위치하며 상기 초음파 생성 장치에서 생성되는 입사파의 진행 경로 상에 위치하는 초음파 투과 모듈; 를 포함하며, 상기 초음파 투과 모듈은, 초음파 투과 부재, 및 상기 초음파 투과 부재의 위치를 가변시키는 위치 가변 장치를 포함한다.
일 실시예에 의하면, 상기 위치 가변 장치는, 상기 장애물과 상기 초음파 투과 부재 사이의 거리를 가변시켜서, 상기 초음파 투과 부재 및 장애물을 통과한 투과파의 위상 및 크기가 상기 초음파 생성 장치에서 생성된 입사파의 위상 및 크기와 동일해지도록 한다.
일 실시예에 의하면, 상기 초음파 투과 부재는, 임피던스 및 위상이 선택적으로 가변되며, 상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 부재의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖고, 상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 부재의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 2 를 충족한다.
Figure 112020055160564-pat00001
,
Figure 112020055160564-pat00002
(조건식 1)
Figure 112020055160564-pat00003
(조건식 2)
(여기서,
Figure 112020055160564-pat00004
,
Figure 112020055160564-pat00005
,
Figure 112020055160564-pat00006
z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
(아래 첨자)0: 진행매질, B: 장애물, L: 초음파 투과 부재
일 실시예에 의하면, 상기 초음파 투과 부재는, 임피던스 및 위상이 선택적으로 가변되며, 상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 부재의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖고, 상기 장애물과 상기 초음파 투과 부재 사이의 거리 d0 는, 하기 조건식 3 을 충족한다.
Figure 112020055160564-pat00007
,
Figure 112020055160564-pat00008
(조건식 1)
Figure 112020055160564-pat00009
(조건식 3)
(여기서,
Figure 112020055160564-pat00010
,
Figure 112020055160564-pat00011
,
Figure 112020055160564-pat00012
z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
(아래 첨자)0: 진행매질, B: 장애물, L: 초음파 투과 부재
일 실시예에 의하면, 상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 부재의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖되, 상기 초음파 투과 부재는 하기 조건식 4 를 충족한다.
Figure 112020055160564-pat00013
,
Figure 112020055160564-pat00014
(조건식 1)
α = 1 , β = 1 (조건식 4)
본 발명의 일 실시예에 의한 파동 제어 방법은, 초음파 생성 수단과 장애물 사이에 초음파 투과 수단이 위치한 상태에서 상기 초음파 투과 수단과 상기 장애물 사이의 거리를 조절하여 상기 초음파 생성 수단에서 발생한 초음파를 상기 장애물 너머로 전달한다.
일 실시예에 의하면, 상기 장애물의 임피던스와 상기 초음파 투과 수단의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 수단의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖고, 상기 장애물의 임피던스와 상기 초음파 투과 수단의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 수단의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 2 를 충족한다.
Figure 112020055160564-pat00015
,
Figure 112020055160564-pat00016
(조건식 1)
Figure 112020055160564-pat00017
(조건식 2)
(여기서,
Figure 112020055160564-pat00018
,
Figure 112020055160564-pat00019
,
Figure 112020055160564-pat00020
z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
(아래 첨자)0: 진행매질, B: 장애물, L: 초음파 투과 수단
일 실시예에 의하면, 상기 장애물의 임피던스와 상기 초음파 투과 수단의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 수단의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖고, 상기 장애물과 상기 초음파 투과 수단 사이의 거리는, 하기 조건식 3 에 의해서 결정된다.
Figure 112020055160564-pat00021
,
Figure 112020055160564-pat00022
(조건식 1)
Figure 112020055160564-pat00023
(조건식 3)
(여기서,
Figure 112020055160564-pat00024
,
Figure 112020055160564-pat00025
,
Figure 112020055160564-pat00026
z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
(아래 첨자)0: 진행매질, B: 장애물, L: 초음파 투과 수단
일 실시예에 의하면, 상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 수단의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖되, 상기 초음파 투과 부재는 하기 조건식 4 를 충족한다.
Figure 112020055160564-pat00027
,
Figure 112020055160564-pat00028
(조건식 1)
α = 1 , β = 1 (조건식 4)
본 발명에 따른 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법에 의하면, 장애물 앞에 일정 거리에 초음파 투과 부재를 위치시킴으로서 장애물과 초음파 투과 부재 사이의 공명현상으로 인해 장애물 너머로 높은 초음파 에너지가 전달될 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법에 의하면, 장애물의 종류와 두께에 관계없이 원하는 주파수에서 매우 높은 초음파 에너지(최대 100%)를 투과시킬 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 투과 장치 및 파동 제어 방법은, 수중 초음파, 음향, 의료 초음파, 비파괴검사 등에 폭넓게 사용될 수 있다.
도 1 은 매질 내에 입사한 초음파가 이종물질 B 로 구성되며 두께 dB 를 갖는 장애물을 만났을 때, 입사파(a), 반사파(b), 투과파(c)를 각각 나타낸 것이다.
도 2 는 투과 에너지와 주파수 사이의 관계를 나타낸 것이다.
도 3 은, 초음파 투과 부재와 장애물이 함께 있는 경우에 입사된 초음파의 투과 및 반사를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 4c 는 주어진 장애물에 대해 다양한 초음파 투과 부재를 적용한 예시를 도시한 것이다.
도 5 는, 크기 일치 조건을 다양한 초음파 투과기의 특성(α, β)에 대해서 도시한 것이다.
도 6 은 위상 일치 조건 하에서 투과율을 초음파 투과 부재의 특성(α, β)에 대해서 도시한 것이다.
도 7 은 다양한 주파수에 대해서 크기 일치 조건 혹은 100% 투과 조건을 충족하는 선도를 나타낸 것이다.
도 8 및 9 는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 투과 장치의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 10 및 도 11 은, 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 투과 장치에 사용되는 초음파 투과 부재의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 12 및 13 은 다양한 파동원에 대해서 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법의 성능을 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 14 의 (a) 는 실험에 사용된 음향장 스캔 시스템을 개략적으로 나타낸 것이며, (b) 는 트랜스듀서 음향장 측정 결과를 나타낸 것이며, 도 15 는 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 16 은, 최대 투과율(FTC)를 나타내는 곡선을 다양한 주파수에서 도시한 그래프이다.
도 17 은, 진행 매질이 물이며, 장애물이 3 mm 철판인 경우, 초음파 투과 장치(1)의 물성과 최대 투과율을 나타내는 주파수가 함께 변하는 것을 나타낸 도면이다.
도 18a 및 18b 는, 장애물인 3 mm 두께의 철판에 대해서 α=β=1 을 만족하는 초음파 투과 장치를 설치하고 초음파 투과 장치와 장애물 사이의 거리를 조절하여 다양한 주파수에서 검증한 결과이다.
도 19 및 20 은 선형으로 생성된 초음파(Plane wave)를 이용하여 물체를 이미징(확인) 가능 여부를 시뮬레이션 한 것을 나타낸 도면이다.
도 21 내지 도 25 는 2 차원 이미징 실험 환경, 및 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 26 내지 도 28 은 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치의 구현 예를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 먼저, 본 발명의 실시예에 의한 파동 제어 방법을 설명한 후, 상기 파동 제어 방법을 토대로 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대해서 설명한다.
1. 본 발명의 실시예에 의한 파동 제어 방법
<초음파의 진행 경로 상에 장애물 또는 초음파 투과 수단이 있을 때의 초음파 투과식>
도 1 은 매질 내에 입사한 초음파가 이종물질 B 로 구성되며 두께 dB 를 갖는 장애물을 만났을 때, 입사파(a), 반사파(b), 투과파(c)를 각각 나타낸 것이며, 도 2 는 투과 에너지와 주파수 사이의 관계를 나타낸 것이다.
매질을 진행하던 초음파가 상기 장애물을 만난 경우, 초음파의 투과계수 R 과 반사계수 T 를 나타내는 식은 아래 식 (1) 과 같다.
Figure 112020055160564-pat00029
,
Figure 112020055160564-pat00030
식(1)
여기서 z는 임피던스, Φ 는 이종 물질을 진행한 초음파의 위상변화이다. 아래첨자 O 은 매질을 의미하며, 아래첨자 B 는 장애물을 의미한다. 또한, 각각의 변수에 대한 구체적인 설명은 아래와 같다.
z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
만일, 상기 장애물 대신에 초음파 투과 수단이 놓인 경우에는, 상기 장애물이 제거되고, 초음파가 초음파 투과 수단만을 통과하게 된다. 따라서, 초음파의 투과계수 R 과 반사계수 T 를 나타내는 식은 아래 식 (2) 와 같다. 위 식 (1) 의 장애물에 해당하는 것을 나타내는 아래 첨자 B 은 아래 식 (2) 에서 초음파 투과 수단을 나타내는 L 로 변경되었다.
Figure 112020055160564-pat00031
,
Figure 112020055160564-pat00032
식(2)
즉, 장애물만이 있거나, 초음파 투과 수단만이 있는 경우에는, 초음파가 단일층을 투과하는 형태가 된다. 따라서, 초음파는 단일층의 물성에만 영향을 받는다. 또한, 초음파가 장애물, 또는 초음파 투과 수단만을 통과하는 경우에는, 초음파의 투과계수와 반사계수를 도출하는 식은 본질적으로 같은 형태를 갖는다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 장애물을 통과하는 입사파의 투과 에너지 (C/A)2 는, 입사한 입사파의 주파수에 따라서 상이한 값을 갖는다. 도 2 의 예에서는, 3 mm 두께의 철판이 사용되었다.
<초음파 투과 수단과 장애물이 함께 있는 경우의 초음파 투과식>
초음파 투과 수단과 장애물이 함께 있는 경우에는, 다중층을 투과하는 경우로 시뮬레이션 될 수 있다. 이것을 도면으로 도시하면 도면 3 과 같다.
이 경우, 초음파가 장애물과 초음파 투과 수단으로 이루어진 다중 층에서 무수히 많은 반사를 일으키게 된다.
최종적인 투과율인 T 와 반사율인 R 은, n 회차에서 반사된 초음파들의 무한합과 같다. 이를 수식으로 표현하면, 아래 식 (3a), (3b) 과 같다.
Figure 112020055160564-pat00033
식(3a)
Figure 112020055160564-pat00034
식(3b)
상기 (식3a) 및 (식3b)의 RL, TL, RB, TB 는 상기 식 (1), (2)에 정의된 바와 같다.
초음파가 완전히 투과할 경우를 상정하면, R = 0, T = 1이 된다. 둘은 서로 필요충분 조건이기 때문에 동일하다.
상기 식을, R = 0 인 조건으로 식을 전개하면 아래와 같은 조건으로 다시 기술된다.
Figure 112020055160564-pat00035
식(4)
여기서 장애물과 초음파 투과 수단 사이에서 파동이 진행하는 위상인,
Figure 112020055160564-pat00036
를 의미하는 항인
Figure 112020055160564-pat00037
에 대해서 식을 정리한다. 이 과정은 아래와 같다.
Figure 112020055160564-pat00038
상기 과정을 통해, 아래 식 (5) 가 유도된다.
Figure 112020055160564-pat00039
,
Figure 112020055160564-pat00040
식 (5)
상기 식 (5) 에 대해서 부연 설명하면, 이하와 같다.
초음파의 전파특성을 결정하는 시스템의 특성은 임피던스 z 와 위상 Φ 이다.
이때, 초음파 투과 수단의 특성 z, 는 주어진 장애물이 갖는 특성에 대해 상대적인 값으로 표현할 수 있다. 예를 들어, 초음파 투과 수단의 임피던스는 장애물의 임피던스의 2 배이며, 초음파 투과 수단의 위상은 장애물의 위상의 0.8배 등이다. 이를 수식적으로 표현하면 아래 식 (6) 과 같다.
Figure 112020055160564-pat00041
,
Figure 112020055160564-pat00042
식 (6)
여기서, kB, kL, k0 는 각각 장애물과 초음파 투과 수단 및 진행매질의 파수(wavenumber)이다. 또한, zB, zL, z0 는 각각 장애물과 초음파 투과 수단 및 진행매질의 임피던스를 의미한다.
상기 식에서 나타낸 바와 같이, 초음파 투과 수단과 장애물의 위상의 비율은 α로 나타내었다. 아울러, 초음파 투과 수단과 장애물의 임피던스의 비율은 β 로 나타내었다.
상기와 같이 식(5) 에 기술된 함수
Figure 112020055160564-pat00043
를 α, β 에 대한 함수형태로 표현할 수 있다. 즉,
Figure 112020055160564-pat00044
로 기술하였다.
<위상일치와 크기일치>
식(5)의 조건을 살펴보면 좌변
Figure 112020055160564-pat00045
과 우변
Figure 112020055160564-pat00046
은 모두 복소수이다.
R=0 으로부터 식 (5)가 도출되었기 때문에 식 (5)와 R=0 인 것은 필요충분조건이 된다. 즉, 식(5)가 성립하려면 두 복소수
Figure 112020055160564-pat00047
와
Figure 112020055160564-pat00048
가 같아야 한다. 따라서, R=0 이면 두 복소수
Figure 112020055160564-pat00049
와
Figure 112020055160564-pat00050
가 같다.
즉, 두 복소수
Figure 112020055160564-pat00051
와
Figure 112020055160564-pat00052
가 일치하게 되면 R=0 인 것이며, 초음파의 반사파가 0 인 것이다. 따라서 초음파가 완전히 투과하는 것이다.
여기서, 복소수가 일치하다는 것은 두 복소수의 위상과 크기가 일치한다는 것을 의미한다. 즉, 두 복소수, A, B의 일치조건인 A = B 은 아래와 같이 위상과 크기가 일치하는 조건으로 기술된다.
∠A=∠B (위상일치조건, Phase matching condition (PMC))
│A│=│B│ (크기일치조건, Magnitude matching condition (MMC))
이는 식(5)의 경우에도 마찬가지이다.
먼저, 위상이 일치하는 것을 나타내는 위상 일치 조건을 식으로 기술하면 아래와 같다.
Figure 112020055160564-pat00053
and
Figure 112020055160564-pat00054
식(A3.1)
상기 식(A3.1)를 거리 d0 에 대한 식으로 변형한다. 이 과정은 아래와 같다.
먼저,
Figure 112020055160564-pat00055
는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112020055160564-pat00056
(k: 파수, d: 거리) 식(A3.2)
k0는 각주파수 ω 및 파동의 진행속도
Figure 112020055160564-pat00057
와 다음 관계를 같는다.
Figure 112020055160564-pat00058
or
Figure 112020055160564-pat00059
식(A3.3)
최종적으로, 상기 식(A3.1), 식(A3.2), 식(A3.3)을 종합하면 아래와 같다.
Figure 112020055160564-pat00060
결과적으로, 아래 식 (7)가 된다.
Figure 112020055160564-pat00061
식 (7)
이어서, 크기가 일치하는 것을 나타내는 크기 일치 조건을 살펴본다. 크기 일치조건은 두 복소수의 크기가 같은 것이다.
상기 식 (5)에 이를 적용하면 아래와 같은 식이 성립한다.
Figure 112020055160564-pat00062
식(A4.1)
드 무아브르의 정리에 의해
Figure 112020055160564-pat00063
이므로 그 크기는 아래와 같이 1이 된다.
Figure 112020055160564-pat00064
식(A4.2)
이를 식(A4.1) 적용하면 좌변은
Figure 112020055160564-pat00065
이 성립한다.
따라서 최종적으로 아래 식 (8) 이 도출된다.
Figure 112020055160564-pat00066
식(8)
<위상 일치 조건에 대한 고찰>
위상 일치 조건은 초음파 투과 수단과 장애물의 특성(위상, 임피던스)과 무관하게, 초음파 투과 수단과 장애물 사이의 거리 d0 를 조절함으로서 항상 획득될 수 있다.
초음파 투과 수단과 장애물의 위상 및 임피던스가 주어지면, 식(7b)를 통해 최대 투과율이 되는 거리를 선정할 수 있다. 달리 말하면, 초음파 투과 수단의 위치를 가변시킴으로서(즉, 초음파 투과 수단과 장애물 사이의 거리를 가변시킴으로서) 최대 투과율을 획득할 수 있다.
도 4a 내지 4c 는 주어진 장애물에 대해 다양한 초음파 투과 수단을 적용한 예시를 도시한 것이다. 도 4a 내지 4c 에서는, 진행매질은 물이며, 장애물은 3 mm 두께의 철판이 사용되었다.
예컨대, 도 4a 에서 α= 0.5, β = 0.8 인 경우에는, 초음파 투과 수단과 장애물 사이의 거리가 약 8 mm 일 때, 최대 투과율이 획득되었다. 다른 예로, α= 0.5, β = 3.0 인 경우에는, 이때 초음파 투과 수단과 장애물 사이의 거리가 약 7.8 mm 일 때, 최대 투과율이 획득되었다.
도 4a 내지 4c 에 도시된 바와 같이, 초음파 투과 수단과 장애물 사이의 거리를 조절함으로서, 최대 투과율을 획득할 수 있음을 확인할 수 있다.
<크기 일치 조건에 대한 고찰>
상기 설명 및 도면을 참조하면, 주어진 장애물에 대해서 다양한 초음파 투과 수단을 적용했을 때, 특정한 특성을 갖는 초음파 투과 수단에서 높은 투과율이 획득된다는 것을 알 수 있다. (주어진 조건에서 장애물의 투과율은 12.7% 이다.) 이때의 거리 d0 는 식(7b)의 위상 일치 조건을 따른다.
하지만 투과율의 최대값(부분 최대값이라 명명)을 초음파 투과 수단과 장애물 사이의 거리를 조절해서 맞추어도 1(100%)이 안되는 경우가 많은 것을 확인할 수 있다. 예컨대, 도 4 를 고찰해 보면, 각각의 경우에서 특정 거리 d0 일 때, 부분 최대값을 달성하고 있으나, 그 크기는 서로 상이함을 알 수 있다. 따라서, 부분 최대값을 최대로 하는 조건을 만족해야 최대의 투과율을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
상기와 같이 부분 최대값을 최대로 하는 조건이 크기 일치 조건이다.
식(5)의 좌변
Figure 112020055160564-pat00067
은 주파수, 장애물과 초음파 투과 수단의 특성(임피던스, 위상)에 의해서만 결정되는 항이다.
즉, 주어진 장애물과, 선택한 초음파 투과 수단의 특성(α, β)에 따라서, 상기 식(8)의 크기 일치 조건을 만족하지 못할 수도 있다. 따라서 식(8)을 만족하는 초음파 투과 수단의 특성 선정이 필요하다.
이와 같은 초음파 투과 수단의 물성에 의해서, 위상 일치 조건을 충족(부분 최대값 달성 조건 충족)한 투과율의 최대값이 결정된다. 초음파 투과 수단의 물성을 특정 값으로 하면, 위상 일치 조건을 충족한 투과율의 최대값이 100% 가 될 수 있다. 이와 같이 투과율의 최대값이 100% 가 되면, 초음파 투과 수단은 크기 일치 조건을 만족한다고 할 수 있다.
즉, 크기 일치 조건은 초음파 투과 수단의 물성을 어떻게 결정하여야 위상 일치 조건을 맞춘 투과율이 최댓값이 100%을 달성할 수 있냐는 문제를 다룬다고 할 수 있다.
크기 일치 조건을 다양한 초음파 투과기의 특성(α, β)에 대해서 도시하면 도 5 에 도시된 바와 같다.
도 5 에서,
Figure 112020055160564-pat00068
인 조건, 즉, 크기 일치 조건(MMC)을 만족하는 선은 흰색선으로 표시되었다. 따라서 표시된 선을 따라서 초음파 투과 수단의 물성을 선정해주면 된다. 주파수에 따라서 만족하는 점이 다르기 때문에 목적하는 주파수에 맞추어 선정하여야 한다.
도 6 은 위상 일치 조건 하에서 투과율을 초음파 투과 수단의 특성(α, β)에 대해서 도시한 도면이다. 도 6 에서는, 100% 의 투과율을 보이는 조건이 빨간색으로 표시되었다. 도 5 와 도 6 을 비교해 보면, 도 5 의 크기 일치 조건(MMC)을 만족시키는 부분(흰색 선)과 도 6 의 100% 의 투과율을 보이는 부분이 일치하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 6 에 도시된 바와 같이, 도 5 의 크기 일치 조건이 맞는 선 상에서 100%의 투과율을 보이는 것을 알 수 있다.
<추가 조건에 대한 고찰>
크기 일치 조건을 만족하는 초음파 투과 수단을 선정하여, 위상 일치 조건을 만족시키는 거리 d0 에 설치하면, 100%에 달하는 초음파 투과를 얻을 수 있다.
그러나, 도 5 를 다시 고찰하면, 크기 일치 조건을 만족하는 선들은 도 5 에 도시된 것 같이 주파수에 따라서 변하는 것을 알 수 있다. 즉, 목적하는 주파수마다 크기 일치 조건을 만족하는 초음파 투과 수단을 찾아야 하는 단점이 있다.
만일, 주파수에 무관하게 d0 만 조절하여도 크기 일치 조건을 충족할 수 있도록 하는 초음파 투과 수단을 찾을 수 있다면 상기 문제가 해결될 것이다.
즉, 모든 주파수에서 크기 일치 조건을 만족시킬 수 있는 특별한 초음파 투과 수단 특성을 찾으면 상기 문제를 해결할 수 있다.
도 7 은 다양한 주파수에 대해서 크기 일치 조건 혹은 100% 투과 조건을 충족하는 선도를 나타낸 것이다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 다양한 주파수에서 대해서 모든 선도가 α = 1 , β = 1 를 지남을 알 수 있다. 여기서, α, β 는 앞서 정의한 바와 같다.
즉, α = 1 , β = 1 을 충족하는 조건하에서는 위상 일치 조건만 맞추게 되면(즉, d0 만 조절하면) 주파수에 상관없이 항상 투과율이 100% 를 달성할 수 있다.
<파동 제어 방법에 의한 초음파의 투과율>
위와 같은 파동 제어 방법에 의하면, 장애물로부터 특정 거리만큼 떨어진 위치에 소정의 재질로 구성된 초음파 투과 수단을 위치시키면 초음파 투과 수단과 장애물 사이에 파동의 공진 현상이 발생하고, 이에 의해서 높은 에너지의 파동이 투과될 수 있게 됨을 알 수 있다.
즉, 초음파 투과 수단의 재질을 적절히 선정하고, 초음파 투과 수단과 장애물 사이의 거리를 적절하게 설정하는 경우, 반사 없이, 100% 의 투과율을 가지며 파동 에너지를 투과시킬 수 있다.
2. 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치
이하에서는 상기 이론적 근거를 바탕으로 하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)에 대해서 설명한다.
도 8 및 9 는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)의 구조를 나타낸 개념도이다.
편의상, 이후에서 방향을 나타내는 전후 방향이라 함은 도 8 에 도시된 전후 방향 을 기준으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)는, 내부에 매질(A1) 및 검사체(A2)를 갖고 외부에 장애물(A3)을 갖는 대상물(A)에 초음파를 입사하여 초음파 검사를 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)는, 초음파 생성 장치(10), 및 초음파 투과 모듈(20)을 포함하며, 이에 더하여 초음파 측정 장치(30) 및 가이드(40)를 포함할 수 있다.
초음파 생성 장치(10)는, 소정의 초음파를 생성할 수 있다. 초음파 생성 장치(10)의 구제적인, 제원, 종류 등은 한정하지 아니한다.
초음파 생성 장치(10)에서 생성되는 초음파의 주파수 등은 구체적으로 한정하지 않는다. 초음파 생성 장치(10)에서 생성된 상기 초음파는 대상물(A)에 대해 입사하는 입사파가 된다.
초음파 투과 모듈(20)은, 장애물(A3)과 초음파 생성 장치(10) 사이에 위치한다. 따라서, 초음파 투과 모듈(20)은 상기 초음파 생성 장치(10)에서 생성되어 대상물(A)에 입사하는 입사파의 진행 경로 상에 위치한다. 따라서, 상기 입사파는 초음파 투과 모듈(20)을 통과한 후, 대상물(A)에 입사하게 된다.
이때, 초음파 투과 모듈(20)은, 초음파 생성 장치(10)에서 생성된 입사파가 상기 대상물(A)의 장애물(A3)을 통과하며 대상물(A) 내부에 존재하는 검사체(A2)에 도달하도록 한다. 바람직하게는, 상기 초음파 투과 모듈(20)은, 상기 초음파 투과 부재(100) 및 장애물(A3)을 통과한 투과파의 위상 및 크기가 상기 초음파 생성 장치(10)에서 생성된 입사파의 위상 및 크기와 동일해지도록 할 수 있다. 즉, 투과율이 100% 가 되도록 할 수 있다.
초음파 측정 장치(30)는 검사체(A2)에서 반사된 반사파를 측정하여 초음파 검사를 수행하는 부재이다. 초음파 측정 장치(30)의 구체적인 제원, 종류, 및 배치 등은 한정하지 아니한다.
가이드(40)는 초음파 생성 장치(10)에서 생성된 초음파가 전달되는 통로 역할을 할 수 있다. 아울러, 가이드(40)는 초음파 생성 장치(10)와 초음파 투과 모듈(20)이 적절하게 설치되도록 하는 하우징 역할을 할 수 있다.
이하에서는 초음파 투과 모듈(20)에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
초음파 투과 모듈(20)은 초음파 투과 부재(100), 및 위치 가변 부재(200)를 포함할 수 있다.
초음파 투과 부재(100)는, 초음파 생성 장치(10)에서 생성된 초음파의 전달 경로 상에 위치하는 소정의 패널 형태의 부재일 수 있다.
초음파 투과 부재(100)는, 소정의 물성 및 두께를 가질 수 있다. 따라서, 초음파 투과 부재(100)는 입사파에 대해서 소정의 임피던스 및 위상을 가질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 초음파 투과 부재(100)는 선택적으로 교체될 수 있다. 즉, 초음파 투과 부재(100)가 갖는 물성 및 두께는 선택적으로 가변될 수 있다. 따라서, 초음파 투과 부재(100)가 입사파에 대해서 갖는 임피던스 및 위상 또한 선택적으로 교체될 수 있다.
초음파 투과 부재(100)의 구체적인 물성, 형태, 및 두께, 크기 등은 한정하지 아니한다. 예컨대, 초음파 투과 부재(100)는 사각형, 원형, 임의의 다각형 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 직선 및 곡률이 있는 형상을 가질 수도 있다.
또한, 초음파 투과 부재(100)는 단일 또는 다중 매질을 적층한 구조를 가질 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 아울러, 다중 매질로 구성될 경우, 단순하게 적층된 형태 외에 부분적으로 적층되거나 임의의 부분의 물성이 상이한 구성을 가질 수도 있다. 아울러, 매질 간의 분포 또한 규칙적이거나 불규칙한 분포를 가질 수도 있다.
이를 도면을 참조하여 설명하면 도 10 과 같다. 즉, 초음파 투과 부재(100)의 물성, 분포 등은 장애물에 따라서 선택되거나, 또는 자유롭게 선택될 수 있다.
초음파 투과 부재(100)의 가공 형태 또한 한정하지 않는다. 예컨대 단일 또는 다중 물질에 규칙적, 또는 비규칙적인 가공을 가하여 제작될 수 있으며, 가공 형태는 각도 있는 형태, 곡률이 있는 형태 또는 이를 혼합한 형태 등 다양한 형태가 가능하다.
이를 도면을 참조하여 설명하면 도 11 과 같다. 즉, 초음파 투과 부재(100)의 크기, 형상, 폭 등은 장애물에 따라서 선택되거나, 또는 자유롭게 선택될 수 있다.
위치 가변 부재(200)는, 상기 초음파 투과 부재(100)의 위치를 가변시키는 부재이다.
위치 가변 부재(200)의 구체적인 형태, 구성은 한정하지 아니하며, 통상의 기술자가 쉽게 적용할 수 있는 일체의 위치 가변 수단으로 구성될 수 있다.
예컨대, 위치 가변 부재(200)는 전후 방향 작동 방향을 갖는 렉 기어 및 피니언 기어를 포함할 수 있다.
다른 예로, 위치 가변 부재(200)는 전후 방향으로 연장되는 가이드(40) 라인 및 상기 가이드(40) 라인을 따라서 전후 방향으로 위치 이동 가능한 가이드(40) 블록을 포함할 수 있다.
단, 이는 어디까지나 예시이며, 위치 가변 부재(200)는 초음파 투과 부재(100)의 위치를 가변시키는 일체의 수단을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가짐으로서, 상기 위치 가변 부재(200)는, 상기 장애물(A3)과 상기 초음파 투과 부재(100) 사이의 거리를 가변시킬 수 있다.
상기와 같은 초음파 투과 모듈(20)이 구비됨으로서, 상기 초음파 생성 장치(10)에서 생성된 입사파는 초음파 투과 모듈(20) 및 장애물(A3)을 통과한 후, 검사체(A2)에 도달할 수 있다. 이때, 상기 초음파 투과 모듈(20)의 초음파 투과 부재(100)는, 상기 위상 일치 조건 및 크기 일치 조건을 충족할 수 있다. 따라서, 상기 입사파가 장애물(A3)에서 반사되지 않고 장애물(A3)을 통과하도록 할 수 있다. 즉, 초음파 투과 부재(100)는, 상기 설명한 본 발명의 파동 제어 방법에 있어서 초음파 투과 수단에 대응한다고 볼 수 있다.
이하에서는 구체적으로, 상기 설명한 위상 일치 조건, 크기 일치 조건, 및 추가 조건을 충족할 수 있는 실시 형태에 따른 초음파 투과 부재(100)에 대해서 설명한다.
먼저, 크기 일치 조건에 대해서 고찰한다.
장애물(A3)은 소정의 임피던스와 위상을 갖는다. 아울러 상기 초음파 투과 부재(100) 또한 소정의 임피던스와 위상을 가질 수 있다. 상기 장애물(A3)의 임피던스와 상기 초음파 투과 부재(100)의 임피던스는 소정의 비율을 갖는다. 아울러, 장애물(A3)의 위상 또한, 초음파 투과 부재(100)의 위상과 소정의 비율을 갖는다.
실시예에 의하면, 상기 장애물(A3)의 임피던스와 상기 초음파 투과 부재(100)의 임피던스의 비율, 및 장애물(A3)의 위상과 초음파 투과 부재(100)의 위상의 비율은, 앞서 설명한 크기 일치 조건을 충족할 수 있다.
먼저, 장애물(A3)과 초음파 투과 부재(100)의 임피던스 비 β 와, 장애물(A3)과 초음파 투과 부재(100)의 위상 비 α 는 각각 하기 조건식 1 과 같이 표현된다. 하기 조건식 1 은 상기 식 (6) 및 관련 설명에서 기술한 바와 같다.
Figure 112020055160564-pat00069
,
Figure 112020055160564-pat00070
(조건식 1)
또한, 상기 장애물(A3)과 초음파 투과 부재(100)의 임피던스 비 β 와, 장애물(A3)과 초음파 투과 부재(100)의 위상 비 α 는 각각 하기 조건식 2 를 충족할 수 있다. 하기 조건식 2 는, 상기 설명한 식 (8) 및 관련 설명에서 기술한 바와 같다.
Figure 112020055160564-pat00071
(조건식 2)
실시예에 의하면, 상기 조건식 2 를 충족시키는 초음파 투과 부재(100)를 선정하여, 크기 일치 조건을 먼저 충족하도록 할 수 있다. 물론, 크기 일치 조건을 완벽하게 만족하지 않을 경우에도, 초음파 투과 부재(100)가 없을 때에 비해서 큰 투과율의 향상을 달성할 수 있다. 따라서, 크기 일치 조건을 완벽하게 만족하지 않는 초음파 투과 부재(100)를 선택하는 것도 가능하다.
이어서, 위상 일치 조건에 대해서 고찰한다.
상기와 같이 장애물(A3)의 임피던스, 및 위상이 설정되고, 초음파 투과 부재(100)의 임피던스, 및 위상이 설정되면, 상기 위상 일치 조건을 충족하는 초음파 투과 부재(100)의 위치가 도출될 수 있다. 즉, 상기 장애물(A3)과 초음파 투과 부재(100) 사이의 거리 d 를 조절하여, 위상 일치 조건을 충족하는 거리 d0 가 도출될 수 있다. 상기 거리 d0 는, 아래 조건식 3 을 충족하는 거리이며, 조건식 3 은, 상기 설명한 식 (7) 및 관련 설명에서 기술한 바와 같다.
Figure 112020055160564-pat00072
(조건식 3)
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 크기 일치 조건을 만족하는 장애물(A3)과 초음파 투과 부재(100)의 임피던스 비 β 와, 장애물(A3)과 초음파 투과 부재(100)의 위상 비 α 는 주파수에 따라서 변함을 확인하였다. 이를 해결하기 위해서, 바람직하게는, 앞서 설명한 바와 같이, 주파수에 무관하게 위상 일치 조건만 충족하면(즉, 장애물(A3)과 초음파 투과 부재(100) 사이의 거리 d0 만 조절하여위상 일치 조건을 만족하도록 하면) 100% 투과 조건을 만족하도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 아래 조건식 4 를 충족하는 초음파 투과 부재(100)를 선정할 수 있다. 조건식 4 는, 상기 설명한 추가 조건에 관한 것과 상통하는 것이다.
α = 1 , β = 1 (조건식 4)
한편, 상기 조건식 1 내지 4 를 충족하는 초음파 투과 부재(100)의 물성, 및 초음파 투과 부재(100)와 장애물(A3) 사이의 거리를 도출하기 위하여, 소정의 처리 장치가 구비될 수 있다.
상기 처리 장치는 소정의 CPU 등으로 구성될 수 있다. 상기 처리 장치는 소정의 연산 및 데이터 처리 등을 통해 상기 조건식을 충족하는 초음파 투과 부재(100)를 선정하고, 초음파 투과 부재(100)와 장애물(A3) 사이의 거리를 도출할 수 있다.
3. 본 발명의 실험 결과
도 12 및 13 은 다양한 파동원에 대해서 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법의 성능을 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 12 및 13 은, 각각 초음파 기술에서 널리 활용되고 있는 대표적인 기술인 단일 초음파생성기와 다중 초음파생성기(위상배열) 시스템에 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법을 적용한 시뮬레이션 예시이다.
도 12 및 13 의 (a)는 장애물 없이 기존의 초음파 기술을 사용한 경우이며, (b)는 기존의 초음파 기술을 사용했을 때 5mm 뼈 장애물을 만났을 때의 경우이고, (c)는 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법을 사용하는 경우의 결과를 각각 도시한 것이다.
도 12 및 13 에 도시된 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 본 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법은, 현재 사용중인 다양한 초음파 기술에 응용이 가능하며, 성능 또한 혁신적으로 개선할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 수직으로 입사하는 파동 뿐만 아니라 임의의 각도를 갖고 진행하는 파동에 대해서도 적용 가능하다.
도 14 의 (a) 는 실험에 사용된 음향장 스캔 시스템을 개략적으로 나타낸 것이며, (b) 는 트랜스듀서 음향장 측정 결과를 나타낸 것이다. 아울러, 도 15 는 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 14 (b) 를 살펴보면, 송신기(Transmitter, TX) 의해서 생성된 파동이 진행하면서 퍼져나가는 것을 알 수 있다. 초음파 투과실험 검증을 위해서 장애물이 없는 경우(Ref), 장애물 설치, 초음파 투과기 설치의 세가지 경우에 대해서 400 mm 송신기 지점에서 음향장을 측정하였다.
측정 결과는 도 15 에 도시된 바와 같다. 도 15 의 (a)는 장애물이 없는 경우이며, (b)는 장애물이 설치된 경우이고, (c)는 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법을 사용하는 경우의 결과를 각각 도시한 것이다.
도 15 에서 볼 수 있는 것처럼 장애물이 있을 때는 투과되는 초음파의 세기가 매우 작다. 하지만 초음파 투과기를 설치한 경우, 마치 장애물이 없는 것 같은 매우 높은 투과율로 초음파가 투과하는 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 추가 조건에 대한 고찰로서, 하나의 초음파 투과 장치(1)를 사용하며 초음파 투과 장치(1)와 장애물 사이의 거리만 조절하여 다양한 주파수가 적용 가능한 것에 대해서 설명한다.
도 16 은, 최대 투과율(FTC)를 나타내는 곡선을 다양한 주파수에서 도시한 그래프이다.
예컨대, 진행 매질이 물이며, 장애물이 3 mm 철판인 경우, 도 17 에 도시된 바와 같이, 초음파 투과 장치(1)의 물성이 변하면 최대 투과율을 나타내는 주파수가 함께 변하는 것을 알 수 있다.
특별히 FTC 조건 중에서 상기 기술한 α=β=1의 경우에는 하나의 초음파 투과 장치(1)를 이용하여도 모든 주파수에서 사용이 가능하다. 이 경우 초음파 투과 장치(1)의 종류 혹은 초음파 투과 장치(1)와 장애물 사이의 거리를 조절함으로써 목적하는 다양한 주파수에서 높은 에너지의 파동을 투과시킬 수 있다.
도 18 은 이를 실험한 결과를 나타낸 것이다. 도 18 은, 장애물인 3 mm 두께의 철판에 대해서 α=β=1 을 만족하는 초음파 투과 장치(1)를 설치하고 초음파 투과 장치(1)와 장애물 사이의 거리를 조절하여 다양한 주파수에서 검증한 결과이다.
도 18 에 도시된 바와 같이, 검증 결과는 상기 이론에 부합되는 것을 확인할 수 있다. 도 18 의 좌측에 나열된 3개의 그래프는 초음파 투과 장치(1) 1, 2, 3 에서 최대의 투과율을 보이는 85, 95, 100 kHz의 결과를 도시한 것이다.
여기서도 알 수 있듯이 초음파 투과 장치(1)를 설치하면 마치 장애물이 없는 것과 비슷한 매우 높은 투과 효율을 갖는 것을 알 수 있다.
도 19 및 20 은 선형으로 생성된 초음파(Plane wave)를 이용하여 물체를 이미징(확인) 가능 여부를 시뮬레이션 한 것을 나타낸 도면이다.
장애물이 없는 경우에는 물체에서 반사되는 초음파를 이용하여 물체를 확인할 수 있으나 장애물이 있는 경우에는 신호크기가 매우 작아서 어렵다. 일례로 장애물 투과율이 10%인 경우, 물체를 다시 맞고 측정점으로 돌아오는 초음파 신호의 세기는 1% 이하가 되기 때문에 측정이 매우 어렵게 된다.
하지만 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)를 설치한 경우에는 높은 초음파 투과율을 보일 수 있기 때문에, 장애물이 없는 경우와 마찬가지로 물체 확인이 가능하다.
도 21 내지 도 25 는 2 차원 이미징 실험 환경, 및 실험 결과를 나타낸 것이다.
먼저, 도 21 및 도 22 는 2 차원 이미징 실험 환경을 나타낸다. 도 21 및 22 에서, A 는 실험 환경이 된 수조이며, B 는 이미징 대상물이다. 아울러, C 는 장애물이며, D 는 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)의 초음파 투과 부재(100)에 해당한다. 또한, E 는 수신기 및 송신기이며, F 는 이미징 평면에 해당한다.
도 23 내지 25 는 각각, 실험 조건이 된 이미징 대상을 원판 1 개로 했을 때(도 24), 원판 2 개로 했을 때(도 24), 및 사각형판으로 했을 때(도 26)를 나타낸 것이다. 각각에 있어서, (a) 는 이미징 대상을 나타내며, (b) 는 장애물이 없는 경우, (c) 는 장애물이 설치된 경우, 및 (d) 는 초음파 투과 부재(100, D)가 설치된 경우를 나타낸다.
(b) 와 같이, 장애물이 없는 경우에는 모든 이미징 대상에 대해서 식별이 가능한 결과가 도출되었다. 그러나, (c) 와 같이 장애물이 설치된 경우에는 낮은 투과율로 인해서 이미징 대상에 대한 식별이 거의 불가능함을 알 수 있다. 한편, (d) 와 같이 초음파 투과 부재(100, D)가 설치된 경우에는 비교적 식별이 가능한 정도의 이미징 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
4. 본 발명의 효과 및 활용 범위
본 발명에 따른 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법에 의하면, 장애물 앞에 일정 거리에 초음파 투과 부재(100)를 위치시킴으로서 장애물과 초음파 투과 부재(100) 사이의 공명현상으로 인해 장애물 너머로 높은 초음파 에너지가 전달될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법에 의하면, 장애물의 종류와 두께에 관계없이 원하는 주파수에서 매우 높은 초음파 에너지(최대 100%)를 투과시킬 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법은, 초음파 에너지 전달이 필요한, 수중 초음파, 음향, 의료 초음파, 비파괴검사 등에 폭넓게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 초음파 투과 장치(1) 및 파동 제어 방법은, 장애물 반대쪽에 계측된 신호 역시 매우 높은 투과율로 전달이 가능하기 때문에, 수중음향기술, 의료초음파기술, 비파괴검사기술의 탐지 및 정밀 탐지에 활용 될 수 있다.
도 26 내지 도 28 은 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)의 구현 예를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)를 설치하면 그 부분만 투과가 되기 때문에 이를 이용하여 장애물 반대편의 파동장을 조절할 수 있다.
즉, 파동의 위상을 조절하여 하나의 위상배열 시스템과 같이 구성할 수 있다. 도 26 내지 28 에 도시된 바와 같이 초음파 투과 장치(1)는 다양한 형태로 제작되어 다양한 형태의 파동을 형성시킬 수 있다. 따라서, 초음파 투과 장치(1)를 이용하여 장애물 반대편의 물질을 모으거나 분산시키는 데 활용될 수도 있으며, 장애물 반대편의 높은 에너지의 파동을 전송이 필요한 시스템에 적용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 의한 초음파 투과 장치(1)를 이용하면, 초음파 Cavitation을 일으키기 용이하므로, 초음파 쇄석술, 산업현장에서 청소 목적, 학계에서 초음파를 이용한 약물 반응 증가등 다양한 곳에 활용 가능하다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
1: 초음파 투과 장치
10: 초음파 생성 장치
20: 초음파 투과 모듈
30: 초음파 측정 장치
40: 가이드
100: 초음파 투과 부재
200: 위치 가변 부재

Claims (9)

  1. 내부에 매질 및 피검사체를 갖고 외부에 장애물을 갖는 대상물에 초음파를 입사하여 초음파 검사를 수행하는 초음파 투과 장치에 있어서,
    입사파를 생성하는 초음파 생성 장치;
    상기 장애물과 상기 초음파 생성 장치 사이에 위치하며 상기 초음파 생성 장치에서 생성되는 입사파의 진행 경로 상에 위치하는 초음파 투과 모듈; 를 포함하며,
    상기 초음파 투과 모듈은,
    소정의 물성 및 두께를 가지며 상기 입사파에 대해서 소정의 임피던스 및 위상을 갖는 초음파 투과 부재, 및
    상기 초음파 투과 부재의 위치를 가변시키며 상기 장애물과 상기 초음파 투과 부재 사이의 거리를 가변시킬 수 있는 위치 가변 장치를 포함하는 초음파 투과 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치 가변 장치는,
    상기 장애물과 상기 초음파 투과 부재 사이의 거리를 가변시켜서,
    상기 초음파 투과 부재 및 장애물을 통과한 투과파의 위상 및 크기가 상기 초음파 생성 장치에서 생성된 입사파의 위상 및 크기와 동일해지도록 하는 초음파 투과 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 투과 부재는,
    임피던스 및 위상이 선택적으로 가변되며,
    상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 부재의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖고,
    상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 부재의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 2 를 충족하는 초음파 투과 장치.
    Figure 112020055160564-pat00073
    ,
    Figure 112020055160564-pat00074
    (조건식 1)
    Figure 112020055160564-pat00075
    (조건식 2)
    (여기서,
    Figure 112020055160564-pat00076
    ,
    Figure 112020055160564-pat00077
    ,
    Figure 112020055160564-pat00078

    z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
    Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
    k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
    ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
    (아래 첨자)0: 진행매질, B: 장애물, L: 초음파 투과 부재
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 투과 부재는,
    임피던스 및 위상이 선택적으로 가변되며,
    상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 부재의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖고,
    상기 장애물과 상기 초음파 투과 부재 사이의 거리 d0 는, 하기 조건식 3 을 충족하는 초음파 투과 장치.
    Figure 112020055160564-pat00079
    ,
    Figure 112020055160564-pat00080
    (조건식 1)
    Figure 112020055160564-pat00081
    (조건식 3)
    (여기서,
    Figure 112020055160564-pat00082
    ,
    Figure 112020055160564-pat00083
    ,
    Figure 112020055160564-pat00084

    z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
    Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
    k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
    ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
    (아래 첨자)0: 진행매질, B: 장애물, L: 초음파 투과 부재
  5. 제1항에 있어서,
    상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 부재의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 부재의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖되, 상기 초음파 투과 부재는 하기 조건식 4 를 충족하는 초음파 투과 장치.
    Figure 112020055160564-pat00085
    ,
    Figure 112020055160564-pat00086
    (조건식 1)
    α = 1 , β = 1 (조건식 4)
  6. 제1 항의 초음파 투과 장치를 이용한 파동 제어 방법에 있어서,
    초음파 생성 수단과 장애물 사이에 초음파 투과 수단이 위치한 상태에서 상기 초음파 투과 수단과 상기 장애물 사이의 거리를 조절하여 상기 초음파 생성 수단에서 발생한 초음파를 상기 장애물 너머로 전달하는 파동 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 장애물의 임피던스와 상기 초음파 투과 수단의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 수단의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖고,
    상기 장애물의 임피던스와 상기 초음파 투과 수단의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 수단의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 2 를 충족하는 파동 제어 방법.
    Figure 112020055160564-pat00087
    ,
    Figure 112020055160564-pat00088
    (조건식 1)
    Figure 112020055160564-pat00089
    (조건식 2)
    (여기서,
    Figure 112020055160564-pat00090
    ,
    Figure 112020055160564-pat00091
    ,
    Figure 112020055160564-pat00092

    z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
    Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
    k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
    ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
    (아래 첨자)0: 진행매질, B: 장애물, L: 초음파 투과 수단
  8. 제6항에 있어서,
    상기 장애물의 임피던스와 상기 초음파 투과 수단의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 수단의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖고,
    상기 장애물과 상기 초음파 투과 수단 사이의 거리는, 하기 조건식 3 에 의해서 결정되는 파동 제어 방법.
    Figure 112020055160564-pat00093
    ,
    Figure 112020055160564-pat00094
    (조건식 1)
    Figure 112020055160564-pat00095
    (조건식 3)
    (여기서,
    Figure 112020055160564-pat00096
    ,
    Figure 112020055160564-pat00097
    ,
    Figure 112020055160564-pat00098

    z = ρc (: 밀도 c: 파동 속도)
    Φ = kd (k: 파수 Wavenumber, d: 이종물질 두께)
    k = ω/c = (ω : 주파수 [Rad/s])
    ω = 2πf (f: 주파수 [Hz]))
    (아래 첨자)0: 진행매질, B: 장애물, L: 초음파 투과 수단
  9. 제6항에 있어서,
    상기 장애물의 임피던스와 초음파 투과 수단의 임피던스의 비 β 와, 상기 장애물의 위상과 상기 초음파 투과 수단의 위상의 비 α 는 각각 하기 조건식 1 에 따른 비율을 갖되, 상기 초음파 투과 수단은 하기 조건식 4 를 충족하는 파동 제어 방법.
    Figure 112021132863909-pat00099
    ,
    Figure 112021132863909-pat00100
    (조건식 1)
    α = 1 , β = 1 (조건식 4)
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