KR20130064171A - 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서 - Google Patents

전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜드듀서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 가지는 원통형 웨이브가이드; 웨이브가이드의 원주면을 따라 부착되는 강자성 재질의 자기변형 패치; 웨이브가이드 내부를 통과하는 동자기장을 형성할 수 있도록 웨이브가이드 상에 감겨진 코일; 및 웨이브가이드의 원주방향으로 정자기장을 형성하는 자석;을 포함하여 이루어짐으로써, 자기변형 현상을 이용하여 접촉하는 구조물의 전방향에 걸쳐 전단수평파의 변환이 이루어질 수 있도록 구현된 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서를 제공한다.

Description

전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서 {Magnetostrictive transducer for omni-directional shear horizontal wave transduction}
본 발명은 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기변형 현상을 이용하여 판형 시편의 비파괴검사에 용이하게 사용할 수 있도록 전단수평파의 변환을 수행하는 자기변형 트랜스듀서에 관한 것이다.
유도초음파(guided ultrasonic wave)는 시편의 경계를 따라서 전파하는 탄성초음파로서 대개 먼 거리까지 전파가 가능하다. 이러한 원거리 전파특성으로 인해 유도초음파는 최근 다양한 대상의 비파괴평가를 위한 방법으로 많은 주목을 받고 있다. 초음파가 시편 내에서 더 멀리까지 진행할 수 있으므로 넓은 영역을 고속으로 탐상할 수 있을 뿐만 아니라, 검사 부위에 직접 접근이 어려운 때도 원거리에서 탐상이 가능하다는 장점이 있다. 반면, 유도초음파는 시편의 형상에 따라 그 종류와 모드가 다양하고 각 모드의 전파 양상이 복잡하므로 신호의 측정 및 해석이 어렵다. 특히, 사용하고자 하는 유도초음파의 모드와 주파수 대역, 시편의 형상 및 재질에 따라 파의 가진 및 측정을 위한 트랜스듀서, 측정 기기 및 신호 해석 방법이 차이가 날 뿐만 아니라, 진단 대상에 대한 민감도 역시 많은 영향을 받는다. 따라서, 유도초음파를 이용한 검사에서는 검사대상의 특성을 고려하여 이용하고자 하는 모드를 적절히 선택하고 이에 적합한 트랜스듀서를 선정하는 것이 매우 중요하다.
일반적으로 종파(longitudinal wave)와 횡파(shear wave)로 나뉘는 체적초음파(bulk ultrasonic wave)와는 달리 유도초음파는 도파구조물(waveguide structure)의 형상에 따라 다양한 종류와 모드가 존재한다. 판(plate) 시편 또는 구조물의 경우, 매질 변위의 방향에 따라 램파(Lamb wave)와 전단수평파(shear horizontal wave, SH파) 두 종류의 유도초음파가 있고, 각각 무한대의 모드가 존재한다. 도 10은 두께 1 mm인 알루미늄 판에서 각각 램파와 전단수평파의 주파수와 군속도(group velocity) 관계를 보여 준다. 램파의 경우 A1 모드의 단절주파수(cut off frequency) 이하의 주파수 대역에서 A0 모드와 S0모드가 존재한다. 주파수가 증가하면서 점점 더 많은 모드가 나타나기 시작하는데 도 12의 (a)에서 나타나듯이 이들의 분산 곡선은 서로 복잡하게 교차하는 모습을 보인다. 따라서 주파수가 높은 대역에 램파를 이용하는 경우 다수의 모드들이 측정되었을 때 이를 분리해서 모드를 확인하는 것은 매우 까다로운 일이 될 수 있다. 이에 반해, 도 12 (b)에서의 전단수평파는 모드들의 분산 곡선이 서로 교차하지 않으므로 측정신호에서 모드의 분리가 비교적 쉽고 모드 속도가 순차적이므로 상대적으로 모드를 확인하는 작업이 용이하다고 할 수 있다. 또한, 전단수평파의 경우에는 SH1 모드의 단절주파수 이하에서는 오직 SH0 한 모드만이 존재할 수 있으므로 다른 모드의 영향을 배제할 수 있다. 무엇보다도 SH0 모드는 주파수에 따라 속도가 변하지 않는 유일한 비분산파(nondispersive wave)이므로 파가 진행하더라도 파형이 변하지 않는다. 이와 같은 이유들로 인해, 유도초음파 기반 비파괴검사의 경우 전단수평파 특히 SH0 모드를 이용하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
한편, 판에서 전단수평파를 가진 측정하기 위한 방법으로는 쐐기(wedge)를 이용한 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer), 전자기음향트랜스듀서(EMAT; electromagnetic acoustic transducer), 자기변형 트랜스듀서(magnetostrictive transducer) 등이 이용된다.
이 중 자기변형 트랜스듀서는 강자성(ferromagnetic) 물질이 자기장에 의해 변형하는 현상인 자기변형(magnetostriction)의 원리를 이용한 것으로 판에서 전단수평파 및 배관이나 축에서 비틀림파를 가진 및 측정하는데 매우 효율적이다.
자기 변형(magnetostriction)이란, 자기장과 역학적 변형 사이의 연성 현상으로서, 철, 니켈, 코발트를 비롯한 강자성 물질(ferromagnetic material)에서 주로 발생한다.
이와 관련하여, 본 발명의 출원인은 종래에 한국등록특허 제10-1052800호에서 개시하고 있는 내용을 등록받은 바 있다. 도 13에서 도시된 것처럼 강자성 물질로 이루어진 강자성 박판(110)의 자기변형을 이용하되, 자석(120)에 의한 바이어스 자기장 방향과 코일(130)의 자기장 방향을 적절히 배치함으로써 전단수평파를 발생시킬 수 있는 자기변형 트랜스듀서를 출원한 바 있다.
그러나, 도 13의 자기변형 트랜스듀서는 설정된 방향(화살표로 표시)에 대한 전단수평파만을 발생시키는 데 그치므로, 시편의 비파괴 검사와 같이 측정에 사용하기 위해서 종래에는 적어도 3 ~ 10개, 많게는 20개 이상의 트랜스듀서를 측정하고자 하는 시편에 설치하고, 이들로부터의 수집되는 신호를 분석해서 결함을 검출하여야 하는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 자기변형 트랜스듀서에 있어서, 접촉하는 시편의 전방향에 걸쳐 전단수평파의 변환이 이루어질 수 있도록 구현된 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예로서, 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 가지는 원통형 웨이브가이드; 상기 웨이브가이드의 원주면을 따라 부착되는 강자성 재질의 자기변형 패치; 상기 웨이브가이드 내부를 통과하는 동자기장을 형성할 수 있도록 상기 웨이브가이드 상에 감겨진 코일; 및 상기 웨이브가이드의 원주방향으로 정자기장을 형성하는 자석;을 포함하여 이루어지는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예로서, 강자성 재질로 이루어지고 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 가지는 원통형 자기변형 패치; 상기 자기변형 패치 내부를 통과하는 동자기장을 형성할 수 있도록 상기 자기변형 패치 상에 감겨진 코일; 및 상기 자기변형 패치의 원주방향으로 정자기장을 형성하는 자석;을 포함하여 이루어지는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서는 웨이브가이드의 원주방향으로 형성되는 정자기장(static magnetic field) 및 웨이브가이드 내부를 통과하는 동자기장(dynamic magnetic field)에 의하여 웨이브가이드의 비틀림 진동(torsional vibration)을 형성함으로써 접촉된 시편의 전방향에 걸쳐 전단수평파를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 측정하고자 하는 시편의 전방향에 걸쳐 전단수평파가 발생되므로, 적은 수의 센서로도 다양한 지점에서의 결함 검출을 효과적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명을 이용하여 웨이브가이드 혹은 자기변형 패치의 접촉단에 형성되는 패턴 구조 상의 람다(λ)값 및 코일들 간의 간격을 조절함으로써 사용자가 원하는 주파수의 전단수평파를 발생시킬 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서는 반사파에 의한 파형을 감소시킬 수 있고, 별도의 웨이브가이드가 필요하지 않아 원가 절감에 도움이 될 수 있다.
그리고, 본 발명에 커팅된 톱니 형상의 절곡부가 형성되어 있거나 후면재가 더 포함되면 반사파와 같은 원하지 않는 신호를 제거할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 분리 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 자기변형 트랜스듀서에 포함되는 웨이브가이드의 다양한 형태를 도시한 사시도이고,
도 4는 본 발명에 따른 자기변형 트랜스듀서에 포함되는 웨이브가이드의 접촉단에 형성되는 패턴 구조를 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 횡단면도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서에서 구조물의 전방향으로 전단수평파가 전파되는 것을 도시한 개념도이고,
도 7은 본 발명에 따라 실제 제작된 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서 및 이러한 자기변형 트랜스듀서를 이용한 측정 실험예에 관한 촬영 사진이고,
도 8 내지 도 10은 도 7의 실험예에 따라 얻어진 실험 데이터이며,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 사시도이며,
도 12는 램파와 전단수평파의 주파수와 군속도 관계를 도시한 그래프이고,
도 13은 종래 기술에 따른 자기변형 트랜스듀서의 구성도이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 바람직한 구현예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 분리 사시도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서는, 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 가지는 원통형 웨이브가이드(10); 상기 웨이브가이드의 원주면을 따라 부착되는 강자성 재질의 자기변형 패치(20); 상기 웨이브가이드 내부를 통과하는 동자기장을 형성할 수 있도록 상기 웨이브가이드 상에 감겨진 코일(30); 및 상기 웨이브가이드의 원주방향으로 정자기장을 형성하는 자석(40);을 포함하여 구성된다.
분해 사시도에 관한 도 2에 도시된 바와 같이, 웨이브가이드(10, waveguide)는 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 갖는 원통형 부재로서, 이러한 웨이브가이드(10) 상에는 강자성 재질로 이루어진 후술할 자기변형 패치(20)가 부착된다. 웨이브가이드(10)는 그 둘레를 따라 설치되는 후술할 자석(40)에 의하여 원형의 정자기장이 형성될 수 있도록 원형의 횡단면을 가지도록 구성된다. 웨이브가이드(10)의 접촉단은 시편과의 접촉에 의하여 발생된 전단수평파를 시편 또는 구조물 쪽으로 안내할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 웨이브가이드(10)는 원형단면 구조의 원통형 부재로서, 다양하게 형태 변형이 가능하며 이와 관련해서는 도 3을 참고하여 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명에 따른 자기변형 트랜스듀서에 포함되는 웨이브가이드의 다양한 형태를 도시한 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서의 웨이브가이드(10)는 원형단면 구조를 가지도록 구성되며, 도 3의 (a)에서와 같은 내부가 채워진 막대 형상 또는 (b)에서와 같이 중공형의 실린더 형상으로 구성될 수 있다.
또한, 도 3의 (c)에서와 같이 웨이브가이드(10)는 내부가 채워진 막대 형상이면서 원형단면 구조의 원통형 부재로 구성되고, 시편과의 접촉단이 아래로 좁아지는 원추형이 되도록 구성할 수도 있다. 이는 도 3의 (b)와 같은 중공형의 실린더 형상에서도 적용될 수 있다. 이러한 원추형 구조를 포함하는 웨이브가이드(10)의 경우, 피검사 대상인 구조물과의 접촉단을 보다 쉽게 균일한 대칭 형태로 제작할 수 있어, 효과적으로 전방향에 걸쳐 균일한 전단수평파를 발생시킬 수 있다.
나아가, 도시되지는 않았으나, 웨이브가이드(10)에는 반사파를 난반사시키도록 커팅된 톱니 형상의 절곡부가 형성되어 있을 수 있다. 구체적으로, 막대 형상의 웨이브가이드(10)가 구조물과 접촉하는 접촉하는 접촉단의 맞은편 단부 또는 실린더 형상의 웨이브가이드(10)의 내측면이 톱니 형상의 절곡부를 이루도록 커팅되어 있는 것이 바람직하고, 이와 같은 구조는 반사파의 난반사 및 분사를 유도하여 노이즈를 감소시킬 수 있다.
덧붙여, 미도시되었으나, 웨이브가이드(10)는 후면재(backing material) 구성을 더 포함할 수 있고, 이러한 후면재는 웨이브가이드(10)에서 불필요하게 발생하는 반사파를 댐핑시킬 수 있으며, 이를 통해 전단수평파의 노이즈를 저감시키도록 구성될 수 있다.
추가적으로, 웨이브가이드(10)는 액상 전단커플런트(liquid shear couplant)에 의하여 시편에 접촉될 수 있다. 즉, 시편 상에 자기변형 트랜스듀서를 위치시킴에 있어서, 웨이브가이드(10)의 접촉단이 액상 전단커플런트(liquid shear couplant)에 의하여 구조물에 접촉되도록 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 커플런트를 사용하지 않는 건식접촉법에 의하여 시편에 접촉되도록 구성될 수도 있다.
이러한 웨이브가이드(10)의 접촉단은 평평한 형태가 아닌 다른 형태를 이루고 있을 수 있다. 이와 관련하여 도 4는 본 발명에 따른 자기변형 트랜스듀서에 포함되는 웨이브가이드의 접촉단에 형성되는 패턴 구조를 도시한 것이다.
웨이브가이드(10)의 접촉단에는 그 접촉단의 중심점을 기준으로 크기가 다른 적어도 하나 이상의 환형 홈이 형성되어 있을 수 있다. 이때, 도 4에서 도시한 것처럼 접촉단의 중심에는 λ(람다)를 직경으로 하는 웨이브가이드(11)가 형성되고, 중심에 형성된 웨이브가이드(11)를 기준으로 λ/2마다 환형 홈(12, 14)과 웨이브가이드(13, 15) 순서로 번갈아가며 형성될 수 있다. 도시되지 않았으나, 도 4와는 반대로 접촉단의 중심에는 λ(람다)를 직경으로 하는 홈이 형성되고, 중심에 형성된 홈을 기준으로 λ/2마다 웨이브가이드와 환형 홈 순서로 번갈아가며 형성될 수 있다. 여기서, 홈이나 환형 홈의 깊이는 제한되지 않는다. 다만, 깊이가 너무 깊게 파지면 초음파 전달에 오히려 방해가 될 수 있으므로, 최대 깊이를 λ(람다)로 하여 그보다 얕게 가공하는 것이 바람직하다.
이와 같은 패턴 구조를 형성하는 것은 시편에 전파되는 파의 주파수와 밀접한 관계를 가지고 있다.
일반적으로 코일(30)을 설계할 때 코일(30)간의 거리와 주파수를 제어하여 원하는 초음파의 모드를 생성할 수 있다. 주파수 특성에 따라서 초음파의 진행거리, 감쇠, 결함에 대한 민감도 등이 달라지므로, 일반적으로 트랜스듀서 등의 센서를 설계할 때에는 원하는 결과를 얻기 위한 최적의 주파수를 선택하고, 그에 따라 코일의 간격을 결정하여 설계한다. 이때 사용되는 수식은 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, d는 코일(30)의 선간격, c는 파속, f는 파의 주파수, λ는 시편으로 전파되는 파의 파장이다.
구체적으로, 철과 같은 금속에서 일반적인 횡파의 속도는 3000m/s이므로 속도 c값은 고정된다. 그러면 이 수식은 주파수(f)와 파장(λ)과의 관계식을 나타내게 되고, 사용자가 원하는 주파수를 선택하기 위해선 코일(30) 간 거리인 d를 적절하게 조절해 설계해야 함을 알 수 있다.
이때, 코일 간 거리 d를 증가시키면 λ(람다)값을 크게 하는것과 동일한 효과를 얻을 수 있고 이로부터 사용할 주파수는 낮아지게 된다. 반대로 코일 간 거리 d를 줄이면 λ(람다)값을 작게 설계하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있으며 이로부터 사용할 주파수는 높아지게 된다. 즉, 코일 간 거리 d 값 조정을 통해 λ값을 조절할 수 있고, 사용자가 원하는 주파수를 갖는 전단수평파가 발생하도록 할 수 있다.
본 발명에서의 자기변형 패치(20)는 상술한 웨이브가이드(10)의 원주면을 따라 부착될 수 있도록 패치 형태로 제작된 것으로, 강자성 재질로 이루어진다. 여기서, 강자성 재질의 자기변형 패치(20)로는 철, 니켈, 코발트 또는 이들의 합금이 사용되는 것이 바람직하다.
이러한 자기변형 패치(20)는 우수한 자기변형성을 띄고 있으므로, 후술할 코일(30)에 전류를 흘려 자기변형 패치(20) 주위에 유도 자기장을 형성하게 되면 매우 우수한 변형성을 나타내게 된다. 특히, 이러한 강자성 물질의 자기변형 패치(20)에 정자기장(static magnetic field)과 동자기장(dynamic magnetic field)을 수직으로 인가하면, 전방향 전단수평파가 발생하게 된다.
구체적으로, 본 발명의 일실시예에서의 자기변형 패치(20)는 상술한 웨이브가이드(10)의 원주면을 따라 부착되도록 구성됨으로써, 자석(40)에 의하여 웨이브가이드(10)의 원주면을 따라 형성되는 정자기장 및 코일(30)에 유도되어 웨이브가이드(10) 내부를 통과하게 형성되는 동자기장이 서로 수직 상태에 있도록 작용할 수 있다. 이를 통해 자기변형 패치(20)는 가진 신호로부터 전단 변형(자기변형)하게 되고, 자기변형 패치(20)의 전단변형은 상술한 웨이브가이드(10)의 비틀림 진동(torsional vibration)을 유발하게 된다. 이러한 비틀림 진동에 의해 구조물의 전방향에 걸친 전단수평파가 발생하게 된다.
다만, 이러한 자기변형 패치(20)는 도 1 및 도 2의 구현예로 국한되지 않으며, 자기장에 의하여 전단 변형(shear deformation)하고 이러한 전단 변형에 의하여 웨이브가이드(10)가 비틀림 진동할 수 있도록 웨이브가이드(10) 상에 부착된 형태라면 충분하다.
또한, 본 발명에서는 강자성 물질인 자기변형 패치(20)를 전단 변형시키기 위하여, 서로 수직 방향으로 형성된 자기장을 형성하는 코일(30) 및 자석(40)을 포함하도록 구성된다.
본 발명에서의 코일(30)은 전자기 유도 현상에 의하여 상술한 웨이브가이드(10) 내부를 통과하는 동자기장을 형성하도록 웨이브가이드(10)의 원주면을 따라 권선되어 형성된다.
특히, 본 발명에서의 전단수평파 발진은 코일(30)에 의하여 유도된 동자기장 및 자석(40)에 의하여 형성된 정자기장이 자기변형 패치(20)에 상호 작용함에 기인하는 바, 코일(30)은 도 1에 도시된 바와 같이, 자기변형 패치(20)가 부착된 웨이브가이드(10) 상의 위치와 부합하도록 형성됨이 바람직하다. 또한, 코일(30)은 일정한 간격과 인접한 코일(30)의 위상이 반대가 되도록 감겨있는 형태로 형성되어 사용자가 원하는 주파수를 갖는 전단수평파가 발생하도록 할 수 있다. 여기서 도시되지는 않았으나 코일(30)은 자기장 유도를 위한 구동 전류가 인가할 수 있도록 전기적으로 연결되며, 미엔더 코일일 수 있다.
또한, 본 발명에서의 자석(40)은 자기변형 패치(20)의 전단 변형을 위하여 상술한 웨이브가이드(10)의 원주방향으로 자기장을 형성하기 위한 구성으로, 바람직하게는 도 1 및 도 2의 일실시예에서와 같이 막대 형상의 다수의 영구 자석을 상기 웨이브가이드의 축방향과 평행하게 웨이브가이드(10)의 원주면 상에 일정한 간격을 두고 배치되도록 구성할 수 있다.
이와 관련하여, 도 5에서는 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 횡단면도를 도시하고 있으며, 이러한 횡단면도 상에는 상기 자석에 의하여 형성되는 정자기장이 도시(도 5의 화살표)되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서의 자석(40)은 S,N극이 서로 마주보도록 원주방향 상에 차례로 배치되고, 각각의 영구자석으로부터의 자기장이 강자성 재질인 자기변형 패치(20)를 타고 흘러 화살표로 표시된 것과 같이 원주 방향으로 형성되는 정자기장을 이루게 된다.
이러한 자석의 수 및 배치는 본 발명의 일실시예와 같은 형태로 제한되지는 않으며 상기 웨이브가이드(10)의 원주면을 따라 원형 자기장이 형성될 수 있는 구성이라면 충분하다.
덧붙여, 도 1에서는 코일(30)이 웨이브가이드(10) 상에 감겨진 다음, 자석(40)이 설치된 형태의 자기변형 트랜스듀서를 도시하였으나, 이러한 배열 순서와는 관계없이, 자석(40)이 우선적으로 설치된 다음 코일을 감는 형태의 구조 또한 선택적으로 채용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서에서 구조물의 전방향으로 전단수평파가 전파되는 것을 개략적으로 도시한 개념도이다.
본 발명에 따른 자기변형 트랜스듀서는 영구자석(40)에 의하여 형성되는 원주 방향의 정자기장(화살표 A)과 전류 I가 흐르는 코일(30)에 의하여 유도되는 웨이브가이드 내측을 통과하는 동자기장(화살표 B)이 강자성 물질인 자기변형 패치(20)를 전단 변형시킨다. 이러한 전단 변형이 웨이브가이드(10)의 비틀림 진동을 유발시켜, 도 6에 도시된 바와 같이, 웨이브가이드(10)에 접촉된 구조물의 전방향에 걸쳐 전단수평파(화살표 C)를 발생시킨다.
이러한 구성을 갖도록 제작된 본 발명에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 실제작품은 도 7의 사진과 같으며, 이러한 자기변형 트랜스듀서에 의하여 구조물의 전방향에 걸쳐 전단수평파가 발생하는지를 확인하기 위한 실험을 도 7에서와 같이 수행하였으며, 이러한 실험 수행의 결과로 나타난 데이터는 도 8 내지 도 10에서와 같다.
도 7의 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서는 도 1의 일실시예와 동일하게 제작된 것으로, 실린더형의 웨이브가이드 상에 철-코발트 재질의 자기변형 패치를 부착하고, 그 자기변형 패치가 부착된 위치에 코일을 감은 다음, 4개의 영구자석이 원형의 자기장을 형성하도록 배치하였다.
이러한 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서를 이용하여 구현한 실험 장치는 도 7에서와 같이 제작된 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서 2개를 트랜스미터와 리시버로 각각 배치하고, 트랜스미터 측에서는 원하는 신호 공급을 위한 펄서와 전기 임피던스 매칭을 위한 수동 소자 회로가 포함된 임펄스 매칭 박스를 연결하였으며, 리시버 측에는 임피던스 매칭 박스와 신호 증폭을 위한 증폭기 및 신호 계측을 위한 오실로스코프를 각각 연결하였다. 본 실험에서의 측정 구조물은 알루미늄 판을 선택하였으며, 두 자기변형 트랜스듀서 간의 간격(ld)는 133㎜로 설정하였다.
특히, 본 실험에서는 전방향에 걸쳐 전단수평파가 발생하였는지를 확인하기 위하여, 30도 각도로 측정지점을 달리하여, 도 7에서와 같이 총 12개의 위치에 대하여 리시버측 자기변형 트랜스듀서를 이동시켜가면서 순차적으로 신호를 측정하였다.
이러한 실험과 관련하여, SH0 모드에서 대부분의 구조용 금속 재질에서 전단파의 속도(vs)는 3000㎧ ~ 3200㎧이므로, 그 중간값인 3100㎧로 가정하고, 두 자기변형 트랜스듀서 간의 간격(ld)과의 관계로부터 리시버 측의 도달 시간(s)을 계산하면 아래와 같다.
Figure pat00002
즉, 리시버 측의 도달 시간(s)는 대략 42.9㎲ 정도로 판단되며, 이러한 도달 시간은 검출된 결과의 패턴인 도 8의 경우에서도 동일하게 확인된다.
즉, 도 8의 그래프에서 최초로 검출되는 신호는 트랜스미터 측으로 가진 신호를 인가함에 따라 리시버 측의 전기적 유도 현상에 의하여 생성되는 신호이고, 두번째 신호는 실제 트랜스미터 측으로부터 인가된 신호로, 이러한 신호의 도달시간이 대략 45㎲ 정도임을 고려할 때, 이러한 신호는 전단수평파에 의한 것임을 확인할 수 있다.
이러한 형태의 신호는 도 7에 표시된 12개의 지점에서 거의 동일하게 나타나고 있으며, 이러한 계측 결과는 도 9의 그래프에서 확인할 수 있다.
이러한 결과를 바탕으로, 12개의 지점에서 측정된 신호의 크기를 각도별로 나타내면 도 10과 같으며, 도 10에서 확인할 수 있는 바와 같이 전방향에 걸쳐서 거의 균일한 전단수평파가 발생함을 확인할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서는, 강자성 재질로 이루어지고 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 가지는 원통형 자기변형 패치(20); 상기 자기변형 패치(20) 내부를 통과하는 동자기장을 형성할 수 있도록 상기 자기변형 패치(20) 상에 감겨진 코일(30); 및 상기 자기변형 패치(20)의 원주방향으로 정자기장을 형성하는 자석(40);을 포함하여 이루어진다.
자기변형 패치(20)는 원통형 부재로서, 강자성 재질로 이루어지고 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 갖도록 구성된다. 본 발명의 다른 실시예에서의 자기변형 패치(20)는 본 발명의 일실시예에서의 웨이브가이드와 같은 역할을 수행할 수 있다. 자기변형 패치(20)는 알루미늄이나 스테인리스를 이용하여 제작하는 것이 가능하고, 철코발트 합금을 사용하여 두께가 0.15mm 정도로 되도록 제작하는 것이 바람직하다.
자기변형 패치(20)의 접촉단에는 그 접촉단의 중심점을 기준으로 크기가 다른 적어도 하나 이상의 환형 홈이 형성되어 있을 수 있다. 이때, 도 4에서 웨이브가이드(11)에 패턴 구조가 도시되어 있는 것과 마찬가지로, 접촉단의 중심에는 λ(람다)를 직경으로 하는 자기변형 패치가 형성되고, 중심에 형성된 자기변형 패치를 기준으로 λ(람다)/2마다 환형 홈과 웨이브가이드가 번갈아가며 형성될 수 있다. 또한, 이와는 반대로 접촉단의 중심에는 λ(람다)를 직경으로 하는 홈이 형성되고, 중심에 형성된 홈을 기준으로 λ(람다)/2마다 자기변형 패치와 환형 홈이 번갈아가며 형성될 수 있다. 이와 같은 패턴 구조는 시편에 전파되는 파의 주파수와 밀접한 관계를 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에서의 자기변형 패치(20)도 도 3에 도시된 것과 유사하게 내부가 채워진 막대 형상, 중공형의 실린더 형상 또는 구조물과의 접촉단이 아래로 좁아지는 원추형이 되도록 구성될 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에서의 자기변형 패치(20)에서도 반사파를 난반사시키도록 커팅된 톱니 형상의 절곡부 또는 반사파를 댐핑시키는 후면재(backing material) 구성을 더 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서 자기변형 패치(20)의 접촉단측이 액상 전단커플런트(liquid shear couplant)에 의하여 구조물에 접촉되도록 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 커플런트를 사용하지 않는 건식접촉법에 의하여 구조물에 접촉되도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서의 다른 구성은, 본 발명의 일실시예에 따른 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서에서 이미 상술한 구성과 동일하게 적용될 수 있음을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10: 웨이브가이드 20: 자기변형 패치
30: 코일 40: 자석

Claims (16)

  1. 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 가지는 원통형 웨이브가이드;
    상기 웨이브가이드의 원주면을 따라 부착되는 강자성 재질의 자기변형 패치;
    상기 웨이브가이드 내부를 통과하는 동자기장을 형성할 수 있도록 상기 웨이브가이드 상에 감겨진 코일; 및
    상기 웨이브가이드의 원주방향으로 정자기장을 형성하는 자석;을 포함하여 이루어지는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 웨이브가이드의 접촉단에는 상기 접촉단의 중심점을 기준으로 크기가 다른 적어도 하나 이상의 환형 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 접촉단의 중심에는 λ(람다)를 직경으로 하는 웨이브가이드가 형성되고, 중심에 형성된 웨이브가이드를 기준으로 λ(람다)/2마다 환형 홈과 웨이브가이드가 번갈아가며 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 접촉단의 중심에는 λ(람다)를 직경으로 하는 홈이 형성되고, 중심에 형성된 홈을 기준으로 λ(람다)/2마다 웨이브가이드와 환형 홈이 번갈아가며 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 웨이브가이드는 막대형 또는 실린더형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 웨이브가이드는 접촉단이 아래로 좁아지는 원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 웨이브가이드는 반사파를 난반사시키기 위하여 커팅된 톱니 형상의 절곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  8. 강자성 재질로 이루어지고 원형단면 및 시편과 접촉하는 접촉단을 가지는 원통형 자기변형 패치;
    상기 자기변형 패치 내부를 통과하는 동자기장을 형성할 수 있도록 상기 자기변형 패치 상에 감겨진 코일; 및
    상기 자기변형 패치의 원주방향으로 정자기장을 형성하는 자석;을 포함하여 이루어지는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 자기변형 패치의 접촉단에는 상기 접촉단의 중심점을 기준으로 크기가 다른 적어도 하나 이상의 환형 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 접촉단의 중심에는 λ(람다)를 직경으로 하는 홈이 형성되고, 중심에 형성된 홈을 기준으로 λ(람다)/2마다 자기변형 패치와 환형 홈이 번갈아가며 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 접촉단의 중심에는 λ(람다)를 직경으로 하는 자기변형 패치가 형성되고, 중심에 형성된 자기변형 패치를 기준으로 λ(람다)/2마다 환형 홈과 자기변형 패치가 번갈아가며 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 자기변형 패치는 막대형 또는 실린더형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  13. 청구항 8 내지 청구항 12 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 자기변형 패치는 접촉단이 아래로 좁아지는 원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  14. 청구항 8 내지 청구항 12 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 자기변형 패치는 반사파를 난반사시키기 위하여 커팅된 톱니 형상의 절곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  15. 청구항 1 또는 청구항 8에 있어서, 상기 자석은 자기변형 패치를 통과하는 원형 자기장을 형성하도록 자극이 배열된 다수의 영구자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  16. 청구항 1 또는 청구항 8에 있어서, 댐핑 처리를 위한 후면재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 전단수평파 변환을 위한 자기변형 트랜스듀서.
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