KR20030019678A - 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대상물의 표면을 타격체로 타격한 후, 발생하는 타격력 측정치와 타격음 측정치를 분석하여 대상물의 정상여부를 탐지하는 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 비파괴 타격 검사 시스템은, 대상물에 타격을 주어 이상여부를 판단하는 비파괴 타격 검사 시스템을 구성함에 있어서, 대상물에 타격을 가하는 타격수단; 상기 타격수단에 의해 대상물에 가해지는 타격력을 측정하는 타격력측정수단; 상기 타격수단에 의해 타격을 입은 대상물에서 발생하는 타격음을 측정하는 타격음측정수단; 및 상기 대상물에 가해지는 타격력에 대응하는 타격음의 형태를 정상치와 비교 분석하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하기 때문에 간단히 구조물의 표면을 타격하여 발생하는 타격력과 타격음을 측정하고, 정상치와 비교 분석함으로써 구조물의 해체나 검사실로의 이송이 없이도 검사가 가능하여 검사 시간과 비용을 절감하며, 서로 보완이 되는 타격력 이용방법과 타격음 이용방법을 동시에 적용하여 대상물의 정상 여부를 보다 정밀하고 정확하게 판단할 수 있고, 손상이 없는 정상 구조물의 타격력, 타격음 데이터를 수치해석으로 계산하여 얻음으로써 적용분야가 넓으며, 보다 객관적이고, 보다 정확하며 신속한 검사가 가능하고, 비전공자나 비숙련자라 할 지라도 대상물의 정상 여부를 정확하게 판단할 수 있게 하는 효과를 갖는다.

Description

비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법{A non-destructive tap test system and its test method}

본 발명은 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대상물의 표면을 타격체로 타격한 후, 발생하는 타격력 측정치와 타격음 측정치를 분석하여 대상물의 정상여부를 탐지하는 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법에 관한 것이다.

일반적으로 항공, 자동차, 건축, 토목 등의 산업 생산품에 적용되는 모든 구조물들은 다양한 형태와 종류의 하중을 견디도록 설계되어 있다.

그러나, 이러한 설계과정에서 예측하지 못한 여러 요인들에 의하여 사용 시간이 경과함에 따라 구조물에 손상이 발생하는 경우가 빈번하다.

이러한 구조물의 손상은 산업 생산품의 안전에 치명적이기 때문에 손상된 구조물을 보수, 교체하기 위하여 각종 구조물의 정상 또는 손상 여부를 탐지하는 다양한 종류의 구조물 검사 방법들이 개발되어 사용되고 있다.

그중에서 특히 구조물을 절단하거나 파괴하지 않고도 구조물을 투과할 수 있는 방사능이나 엑스레이 등을 구조물에 조사하여 구조물의 손상을 탐지할 수 있는 비파괴 검사법이 개발되어 널리 사용되고 있으나, 이러한 종래의 비파괴 검사법은 검사를 위하여 고가의 장비가 필요하고, 구조물을 검사하기 위하여 특정 검사장비가 설치된 검사실로 구조물을 해체하여 옮겨야 하는 등 여러 가지 부가적 작업이 필요하므로 구조물의 사용 중단 기간이 길어지고, 검사 자체의 시간과 비용이 많이 소요되는 등 많은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 간단히 구조물의 표면을 타격하여 발생하는 타격력과 타격음을 측정하고, 정상치와 비교 분석함으로써 구조물의 해체나 검사실로의 이송이 없이도 검사가 가능하여 검사 시간과 비용을 절감하게 하는 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 서로 보완이 되는 타격력 이용방법과 타격음 이용방법을 동시에 적용하여 대상물의 정상 여부를 보다 정밀하고 정확하게 판단할 수 있게 하는 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 손상이 없는 정상 구조물의 타격력과 타격음 정상치 데이터를 수치해석으로 계산하여 얻음으로써 적용분야가 넓으며, 보다 객관적이고, 보다 정확하며 신속한 검사를 가능하게 하는 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 비전공자나 비숙련자라 할 지라도 대상물의 정상 여부를 정확하게 판단할 수 있게 하는 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비파괴 타격 검사 시스템을 나타내는 사시도이다.

도 2는 손상이 없는 정상 구조물과 손상이 있는 대상물의 타격 지속시간 당 타격력의 비교 그래프이다.

도 3은 손상이 없는 정상 구조물의 웨이브렛 페킷 신호 처리된 타격음 그래프이다.

도 4는 손상이 있는 대상물의 웨이브렛 페킷 신호 처리된 타격음 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비파괴 타격 검사 시스템은, 대상물에 타격을 주어 이상여부를 판단하는 비파괴 타격 검사 시스템을 구성함에 있어서, 대상물에 타격을 가하는 타격수단; 상기 타격수단에 의해 대상물에 가해지는 타격력을 측정하는 타격력측정수단; 상기 타격수단에 의해 타격을 입은 대상물에서 발생하는 타격음을 측정하는 타격음측정수단; 및 상기 대상물에 가해지는 타격력과 이로 인해 발생하는 타격음의 형태를 정상치와 비교 분석하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 타격수단은, "T"형 타격망치이고, 상기 타격력측정수단은, 상기 타격망치의 일측 귀부분 선단에 설치되는 비교적 강성이 큰 재질로 이루어지는 타격버튼과, 상기 타격버튼을 통해 전달되는 타격력을 측정하는 힘변환기이며, 상기타격음측정수단은, 상기 타격망치의 타측 귀부분 선단에 설치되는 마이크로폰인 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비파괴 타격 검사 방법은, 대상물에 타격을 주어 이상여부를 판단하도록 대상물에 타격을 가하는 타격수단, 상기 타격수단에 의해 대상물에 가해지는 타격력을 측정하는 타격력측정수단, 상기 타격수단에 의해 타격을 입은 대상물에서 발생하는 타격음을 측정하는 타격음측정수단 및 상기 대상물에 가해지는 타격력 측정치와 이로 인해 발생하는 타격음 측정치를 정상치와 비교 분석하는 제어부를 구비하여 이루어지는 비파괴 타격 검사 시스템의 검사 방법에 있어서, 손상이 없는 정상 구조물의 타격력 데이터와 타격음 데이터를 확보하는 단계; 상기 대상물을 타격하는 단계; 상기 대상물을 타격하는 단계에서 측정된 타격력과 타격음을 측정하는 단계; 및 상기 정상 구조물의 타격력 정상치 데이터 및 타격음 정상치 데이터와 측정된 타격력 측정치 및 타격음 측정치를 서로 비교하여 대상물의 정상여부를 판단하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비파괴 타격 검사 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비파괴 타격 검사 시스템은, 대상물에 타격을 주어 이상여부를 판단하는 비파괴 타격 검사 시스템으로서, 대상물에 타격을 가한 후, 대상물에 가해지는 타격력과 타격을 입은 대상물에서 발생하는 타격음을 측정하여 정상치와 비교 분석하는 시스템이다.

즉, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비파괴 타격 검사 시스템은, 하단에 손잡이(2)가 형성되고, "T"형 타격망치(1)와, 상기 타격망치(1)의 일측 귀부분 선단에 설치되고, 비교적 강성이 큰 재질로 이루어지는 타격버튼(10)과, 상기 타격버튼(10)을 통해 전달되는 타격력을 측정하는 힘변환기(11)와, 상기 타격망치(1)의 타측 귀부분 선단에 설치되는 마이크로폰(12)을 포함하여 이루어지는 구성이다.

여기서, 상기 타격버튼(10)은 대상물의 표면에 외란을 가하는 것으로서, 대상물과 접촉하는 부위는 구조물의 고주파 영역까지 가진할 수 있도록 강성이 큰 재질로 제작된다.

또한, 타격력은 상기 힘변환기(11)를 이용하여 측정하고, 타격음은 마이크로폰(12)을 이용하여 측정한다.

상기 힘변환기(11)와 마이크로폰(12)에 의해 감지된 타격력과 타격음은 전기적 신호의 형태로 시그널 컨디셔너(Signal Conditioner)(13)에 전달되고, 상기 시그널 컨디셔너(13)는 상기 전기적 신호를 전압신호의 형태로 변환시킨다.

또한, 상기 제어부(3)는, 상기 시그널 컨디셔너에서 전달된 전압신호를 처리하기 위하여 디지털 샘플링에서 발생하는 알리아싱을 방지하는 저역통과 필터, 디지털 샘플링을 수행하는 아날로그-디지털 컨버터(A/D Converter) 및 샘플링된 데이터를 저장하는 기억장치 등을 포함하여 이루어진다.

이러한, 상기 제어부(3)는, 일반적으로 구조물에 손상이 발생하게 되면 구조물의 강성이 저하되고, 손상에 의한 강성의 저하는 외란에 대한 반응의 변화를 가져오며, 이러한 외란의 반응의 변화를 관찰하여 구조물 내부의 손상을 탐지할 수있는 원리를 이용하여 구성된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 외란에 대한 반응이란 타격에 의한 타격력의 변화와 타격음의 변화인 것으로서, 구조물에 타격을 가하면 타격지점에 손상에 의한 강성의 변화가 있을 경우 타격력의 지속시간이 길어지고 타격력의 최대값은 감소한다.

그러므로 타격력의 시간이력을 측정한 뒤, 타격 지속시간과 타격력의 최대값을 측정하여 손상이 없는 구조물의 타격력 지속 시간과 타격력의 최대값을 비교하여 대상물의 손상 여부를 탐지한다.

그러나, 이러한 타격 지속 시간 당 타격력을 이용하는 방법은, 그 검사범위가 타격 지점 근처의 국소적인 부분이고, 또한, 타격점의 표면이 오염 또는 부식되어 있을 경우에는 사용이 매우 제한적이므로 이를 보완하기 위해 상기 제어부는, 타격음에 대한 분석을 추가로 수행하게 한다.

즉, 타격음은 타격에 대한 구조물의 진동이 공기를 진동시켜서 발생하는 소리인 것으로서, 구조물에 손상이 발생하여 강성이 저하되면 구조물의 외란에 대한 진동 특성이 변화하고 이러한 변화가 타격음에 반영되는 원리를 이용한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제어부(3)는, 이러한 타격음의 변화를 가시화하기 위하여 상기 마이크로폰(12)으로 측정된 타격음을 웨이브렛 페킷 변환하여 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 정규화된 패킷 에너지의 형태로 나타낸다.

즉, 도 3는 손상이 없는 구조물의 타격음을 신호처리한 결과이고, 도 4는 손상이 있는 대상물의 타격음을 신호처리한 결과이다.

이러한 타격음을 이용한 검사 방법은 상기 타격력을 이용한 검사 방법 보다 검사 범위가 넓고 구조물의 표면 상태에 상대적으로 민감하지 않다.

즉, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비파괴 타격 검사 시스템의 제어부(3)는, 타격력의 변화를 이용하여 대상물의 정상여부를 판단하기 위해 손상이 없는 정상 구조물의 타격 지속시간에 대응하는 타격력 정상치와, 대상물의 타격 지속시간에 대응하는 타격력 측정치를 비교가능하도록 신호처리하는 신호처리부(14)를 포함하여 이루어지고, 동시에 타격음의 변화를 이용하여 대상물의 정상여부를 판단하기 위해 손상이 없는 정상 구조물의 타격음 웨이브렛 페킷 변환치와, 대상물의 타격음 웨이브렛 페킷 변환치를 비교가능하도록 신호처리하는 신호처리부(14)를 포함하여 이루어지는 것이다.

한편, 상기 손상이 없는 정상 구조물의 타격력과 타격음에 대한 정상치는, 실제 정상 구조물을 직접 타격하여 얻을 수도 있으나 검사 비용과 시간을 절감하고 정상치의 객관성과 정확성을 위해 수치해석으로 계산하여 얻는 것이 바람직하다.

즉, 상기 손상이 없는 정상 구조물의 타격력과 타격음에 대한 정상치는, 타격에 의한 구조물의 진동을 해석하여 구조물과 타격체간의 타격력을 계산하고 구조물의 표면의 여러 점에서의 변위를 유한요소법으로 계산하는 제 1 프로그램 및 상기 제 1 프로그램의 결과물인 구조물 표면의 여러 점에서 계산된 변위를 이용하여 구조물에서 방사되는 음향을 경계요소법으로 계산하는 제 2 프로그램을 이용하여 수치 해석될 수 있다.

여기서, 상기 제 1 프로그램은, 수치해석 기법 중에 구조 해석에 효과적으로사용되는 수치해석 기법인 유한요소법을 이용하는 것으로서, 탄성체의 운동 지배 방정식을 아래와 같은 행렬방정식으로 변환하여 아래의 행렬식에 대해 중앙차분법을 이용함으로써 시간적분을 수행하면 변위벡터의 시간 이력을 구할 수 있다.

Ma + Ku = F

이때, 상기 행렬식에서 M은 질량행렬, K는 강성행렬, a는 가속도 벡터, u는 변위벡터 그리고 F는 외력벡터이다. 또한, 상기 F에는 구조물과 타격체의 접촉에 의한 타격력이 포함되고, 타격력은 구조물과 타격체의 상대변위로부터 계산되고 상기 행렬식의 시간적분 과정과 동시에 계산되어진다.

또한, 상기 제 2 프로그램은, 자유 음장으로 방사되는 음향 해석에서 효과적으로 사용되는 수치 해석 기법인 경계요소법을 이용하는 것으로서, 경계요소법을 이용하여 진동하는 구조물에서 방사되는 음향의 지배 방정식은 아래와 같은 행렬방정식으로 변환될 수 있다.

P = AP+ CU_n

상기 행렬방정식에서 P는 마이크로폰으로 측정되는 음향이고,P는 타격면에서의 음향 그리고, U_n은 타격면에 수직방향의 변위이다.

한편, 상기 타격력을 이용하는 방법과 타격음을 이용하는 방법은 서로 독립적인 방법이 아니고, 상호 보완적인 성격을 갖는 것으로서, 전술한 바와 같이 타격력을 이용하는 방법은 검사범위가 국소적이므로 대상물의 검사면이 넓은 경우 많은 횟수의 검사를 수행하여야 한다. 그러므로 타격음을 이용하는 방법으로 구조물의검사 범위를 좁힐 수 있고 좁은 영역의 검사면에 대해 타격력을 이용하여 검사함으로써 손상 위치를 정확하게 탐지할 수 있다.

이러한, 상기 타격력과 타격음을 이용하는 본 발명의 비파괴 타격 검사 방법은, 손상이 없는 정상 구조물의 타격력 데이터와 타격음 데이터를 확보하는 단계와, 상기 대상물을 타격하는 단계와, 상기 대상물을 타격하는 단계에서 측정된 타격력과 타격음을 측정하는 단계 및 상기 정상 구조물의 타격력 데이터 및 타격음 데이터와 측정된 타격력 측정치 및 타격음 측정치를 서로 비교하여 대상물의 정상여부를 판단하는 단계를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 손상이 없는 정상 구조물의 타격력 데이터와 타격음 데이터를 확보하는 단계는, 수치해석을 위한 대상 구조물의 모델링 단계와, 상기 모델링된 구조물에 주어진 타격에 의한 타격력과 구조물의 표면에서의 변위 계산 단계와, 상기 구조물 표면에서의 변위를 이용하여 구조물 표면에서의 음향 계산 및 마이크로폰에서 감지될 예상 음향 계산 단계를 포함하여 이루어진다.

이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

예컨대, 본 발명의 일 실시예에서는 손상이 없는 정상 구조물의 타격력과 타격음 데이터를 수치해석으로 얻었으나 이외에도 직접 정상 구조물을 타격하여 데이터를 얻을 수도 있고, 타격버튼이 설치된 힘변환기 이외에도 대상물에 가해지는 타격력의 조절이 가능한 자동 가변 타격장치(예를 들어 10Kg, 20Kg 등)를 사용할 수도 있는 것이다.

따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 비파괴 타격 검사 시스템 및 검사 방법에 의하면, 간단히 구조물의 표면을 타격하여 발생하는 타격력과 타격음을 측정하고, 정상치와 비교 분석함으로써 구조물의 해체나 검사실로의 이송이 없이도 검사가 가능하여 검사 시간과 비용을 절감하며, 서로 보완이 되는 타격력 이용방법과 타격음 이용방법을 동시에 적용하여 대상물의 정상 여부를 보다 정밀하고 정확하게 판단할 수 있고, 손상이 없는 정상 구조물의 타격력, 타격음 데이터를 수치해석으로 계산하여 얻음으로써 적용분야가 넓고 보다 객관적이고, 보다 정확하며 신속한 검사가 가능하고, 비전공자나 비숙련자라 할 지라도 대상물의 정상 여부를 정확하게 판단할 수 있게 하는 효과를 갖는 것이다.

Claims (7)

1. 대상물에 타격을 주어 이상여부를 판단하는 비파괴 타격 검사 시스템을 구성함에 있어서,

   대상물에 타격을 가하는 타격수단;

   상기 타격수단에 의해 대상물에 가해지는 타격력을 측정하는 타격력측정수단;

   상기 타격수단에 의해 타격을 입은 대상물에서 발생하는 타격음을 측정하는타격음측정수단; 및

   상기 대상물에 가해지는 타격력과 타격음의 형태를 정상치와 비교 분석하는 제어부;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴 타격 검사 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 타격수단은, "T"형 타격망치이고, 상기 타격력측정수단은, 상기 타격망치의 일측 귀부분 선단에 설치되고, 비교적 강성이 큰 재질로 이루어지는 타격버튼과, 상기 타격버튼을 통해 전달되는 타격력을 측정하는 힘변환기이며,

   상기 타격음측정수단은, 상기 타격망치의 타측 귀부분 선단에 설치되는 마이크로폰인 것을 특징으로 하는 비파괴 타격 검사 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제어부는, 타격력의 변화를 이용하여 대상물의 정상여부를 판단하기 위해 손상이 없는 정상 구조물의 타격 지속시간에 대응하는 타격력 정상치와, 대상물의 타격 지속시간에 대응하는 타격력 측정치를 비교가능하도록 신호처리하는 신호처리부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴 타격 검사 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제어부는, 타격음의 변화를 이용하여 대상물의 정상여부를 판단하기 위해 손상이 없는 정상 구조물의 타격음 웨이브렛 페킷 변환치와, 대상물의 타격음 웨이브렛 페킷 변환치를 비교가능하도록 신호처리하는 신호처리부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴 타격 검사 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 손상이 없는 정상 구조물의 타격력과 타격음에 대한 정상치는, 타격에 의한 구조물의 진동을 해석하여 구조물과 타격체간의 타격력을 계산하고 구조물의 표면의 여러 점에서의 변위를 유한요소법으로 계산하는 제 1 프로그램을 이용하고,

   상기 제 1 프로그램의 결과물인 구조물 표면의 여러 점에서 계산된 변위를 이용하여 구조물에서 방사되는 음향을 경계요소법으로 계산하는 제 2 프로그램을 이용하여 수치 해석되는 것을 특징으로 하는 비파괴 타격 검사 시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   대상물에 타격을 주어 이상여부를 판단하도록 대상물에 타격을 가하는 타격수단, 상기 타격수단에 의해 대상물에 가해지는 타격력을 측정하는 타격력측정수단, 상기 타격수단에 의해 타격을 입은 대상물에서 발생하는 타격음을 측정하는 타격음측정수단 및 상기 대상물에 가해지는 타격력과 타격음의 형태를 정상치와 비교 분석하는 제어부를 구비하여 이루어지는 비파괴 타격 검사 시스템의 검사 방법에 있어서,

   손상이 없는 정상 구조물의 타격력 데이터와 타격음 데이터를 확보하는 단계;

   상기 대상물을 타격하는 단계;

   상기 대상물을 타격하는 단계에서 측정된 타격력과 타격음을 측정하는 단계; 및

   상기 정상 구조물의 타격력 데이터 및 타격음 데이터와 측정된 타격력 측정치 및 타격음 측정치를 서로 비교하여 대상물의 정상여부를 판단하는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴 타격 검사 방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 손상이 없는 정상 구조물의 타격력 데이터와 타격음 데이터를 확보하는 단계는,

   수치해석을 위한 대상 구조물의 모델링 단계;

   상기 모델링된 구조물에 주어진 타격에 의한 타격력과 구조물의 표면에서의 변위 계산 단계; 및

   상기 구조물 표면에서의 변위를 이용하여 구조물 표면에서의 음향 계산 및 마이크로폰에서 감지될 예상 음향 계산 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴 타격 검사 방법.