KR20170064608A - Lamb wave generator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 웨지 브리지 및 단일 압전 소자를 이용한 판파 발생 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 판파 발생 장치는 단일 압전 소자를 구비하여 초음파를 발생시키는 초음파 탐촉자와, 상기 초음파를 입력받아 판파를 발생시키되, 일정 길이의 몸체를 구비하고, 상기 몸체로부터 각각 돌출된 복수의 웨지 브리지(wedge bridge)를 구비하며, 상기 복수의 웨지 브리지 각각은 상기 판파의 파장에 기초한 간격에 따라 배치되는 웨지를 포함할 수 있다. The present invention relates to a plate wave generator using a plurality of wedge bridges and a single piezoelectric element, wherein a plate wave generator according to an embodiment of the present invention includes an ultrasonic probe for generating ultrasonic waves by having a single piezoelectric element, And a plurality of wedge bridges each having a body of a predetermined length and protruding from the body, wherein each of the plurality of wedge bridges is disposed in accordance with an interval based on the wavelength of the plate wave Wedges.
Description
본 발명은 유도 초음파 모드들 중의 한 모드인 판파를 생성하는 판파 발생 장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
최근 들어, 하기의 특허문헌과 같이 대형 구조물 내에 균열과 같은 결함을 검출하기 위한 초음파 비파괴 기술에 사용되고 있는 유도 초음파 모드들 중에 한 모드인 판파(lamb wave or plate wave)를 발생시켜 비파괴 검사에 활용하고 있다. .Recently, a lamb wave or plate wave, which is one of the guided ultrasonic modes used in the ultrasonic nondestructive technique for detecting defects such as cracks in a large structure, is generated and used for non-destructive inspection have. .
이러한 판파를 발생시키기 위해 일반적으로 다수의 초음파 송수신 압전소자를 이용하여 유도 초음파를 발생시키는데 다수의 압전소자를 사용하기 때문에 소자간의 음파 및 전기적 간섭 방지를 위한 차폐 구조가 포함이 되어야 하며 압전소자의 간격 및 정렬과 같은 구조적 안정성 확보를 위한 추가적인 기술적 요소들이 필요로 하게 된다. In order to generate such a plate wave, in order to generate guided ultrasonic waves by using a plurality of ultrasonic transmitting / receiving piezoelectric elements, a plurality of piezoelectric elements are used. Therefore, a shielding structure for preventing sound waves and electrical interference between the elements should be included. And additional technical elements for securing structural stability such as alignment.
따라서 이러한 문제점을 포함한 배열 유도 초음파 탐촉자의 제작을 위해서는 상당한 시간과 비용이 소요되며 이는 판매 가격 상승과 연결된다. Therefore, the fabrication of array guided ultrasonic transducers, including these problems, requires considerable time and cost, which leads to higher selling prices.
또한, 다양한 판파 모드와 주파수를 이용한 유도 초음파 검사가 필요할 경우, 판파 모드와 중심주파수에 따라 각각 맞춤형으로 제작된 배열 초음파 탐촉자가 필요하므로 이에 따른 추가 제작 비용이 증가하는 문제점이 있다.
Further, when guided ultrasonic inspection using various plate wave modes and frequencies is required, an array ultrasonic probe manufactured custom-made according to the plate wave mode and the center frequency is required, which increases the manufacturing cost.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 웨지 브리지 및 단일 압전 소자를 이용한 판파 발생 장치가 제공된다.
According to one embodiment of the present invention, a film wave generator using a plurality of wedge bridges and a single piezoelectric element is provided.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 판파 발생 장치는 단일 압전 소자를 구비하여 초음파를 발생시키는 초음파 탐촉자와, 상기 초음파를 입력받아 판파를 발생시키되, 일정 길이의 몸체를 구비하고, 상기 몸체로부터 각각 돌출된 복수의 웨지 브리지(wedge bridge)를 구비하며, 상기 복수의 웨지 브리지 각각은 상기 판파의 파장에 기초한 간격에 따라 배치되는 웨지를 포함할 수 있다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a plate wave generator comprising: an ultrasonic probe for generating ultrasonic waves having a single piezoelectric element; and a controller for generating a plate wave by receiving the ultrasonic waves, A plurality of wedge bridges each having a body and protruding from the body, each of the plurality of wedge bridges may include a wedge disposed along an interval based on the wavelength of the film wave.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 구조적 복잡성을 단순화하고 제작 비용을 낮춰 저가이면서 동시에 원하는 판파 유도 초음파를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
According to an embodiment of the present invention, it is possible to simplify the structural complexity and reduce the manufacturing cost, thereby generating a desired low-priced and simultaneously desired wave-guided ultrasonic wave.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판파 발생 장치의 판파용 웨지를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 판파 발생 장치를 이용하여 판파를 발생시키는 개념도이다.
도 3은 판재 형상의 구조물에 대해 고체 내에서 음파의 거동을 나타내는 지배방정식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 위상 속도의 분산선도 그래프이고, 도 4b는 군속도 분산선도 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic view showing a wedge for a plate wave of a plate wave generator according to an embodiment of the present invention; Fig.
2 is a conceptual diagram for generating a plate wave using a plate wave generator according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a governing equation showing the behavior of a sound wave in a solid for a plate-like structure.
4A is a dispersion diagram of phase velocity, and FIG. 4B is a group velocity dispersion diagram.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판파 발생 장치의 판파용 웨지를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 판파 발생 장치를 이용하여 판파를 발생시키는 개념도이다.
FIG. 1 is a schematic view showing a wedge for a plate wave of a plate wave generator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram for generating plate wave using a plate wave generator according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 판파 발생 장치(100)는 초음파 탐촉자(110) 및 웨지(120)를 포함할 수 있다.1 and 2, the
초음파 탐촉자(110)는 초음파를 발송하고 불연속 부위에서 반사해온 신호를 수신하여 피검사체(A)를 검사할 수 있다. The
단일 압전소자(111)는 상기 초음파를 송신 및 수신할 수 있다.
The single
웨지(120)는 초음파 탐촉자(110)로부터의 초음파에 따라 판파를 발생하여 피검사체(A)에 전달할 수 있다.The
웨지(120)는 일정 길이의 몸체(121), 몸체(121)로부터 각각 돌출되어 피검사체(A)에 접촉하여 판파를 발생시키는 복수의 웨지 브리지(122)와, 몸체(121) 및 복수의 웨지 브리지(122)를 초음파 탐촉자(110)에 부착시키는 웨지 부착부(123)를 포함할 수 있다.The
복수의 웨지 브리지(122)는 피검사체(A)에 접촉하여 초음파 탐촉자(110)로부터의 초음파에 따라 판파를 발생시킬 수 있다.The plurality of
복수의 웨지 브리지(122)의 각 웨지 브리지는 서로 일정 간격으로 배치될 수 있으며, 각 웨지 브리지의 간격(D)는 판파의 파장에 기초할 수 있고, 판파의 파장과 동일할 수 있다.
Each of the wedge bridges of the plurality of
도 3은 판재 형상의 구조물에 대해 고체 내에서 음파의 거동을 나타내는 지배방정식을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a governing equation showing the behavior of a sound wave in a solid for a plate-like structure.
도 3을 참조하면, 먼저 고체 내에서 음파의 거동을 나타내는 지배방정식인 Navier governing equation(Wave motion equation)은 다음의 수식1과 같이 표현된다.Referring to FIG. 3, the Navier governing equation (wave motion equation), which is a governing equation representing the behavior of a sound wave in a solid, is expressed as
(수식1)(Equation 1)
여기서 μ 와 λ는 라메 상수(Lame constants)이며 u는 변위, r는 밀도, f는 힘을 나타낸다. Where μ and λ are Lame constants, u is displacement, r is density, and f is force.
상술한 지배방정식을 도 3과 같이 두께 2h를 가진 판재 형상의 구조물에 대해 상하 표면에서 두께방향(x3)의 응력상태가 0이라는 경계 조건을 이용하여 풀게 되면 판의 중심축(x1)에 대해 대칭과 비대칭 모드를 각각 나타내는 수식2 및 수식3을 얻을 수 있다. To the central axis (x 1) of If for the plate-shaped structure having a thickness 2h as shown in Figure 3 of the above governing equations loosen using the boundary condition that the stress state is zero in the thickness direction (x 3) in the upper and lower surface plates (2) and (3), which represent the symmetric and asymmetric modes, respectively, can be obtained.
(수식2)(Equation 2)
(수식3)(Equation 3)
여기서, p2=(ω/CL)2-k2이고, q2=(ω/CT)-k2이며, ω: circular frequency, k: wave number, CL: 종파 속도, CT: 횡파 속도, CP: 위상(phase) 속도이다.
Here, p 2 = (ω / C L) 2 -k 2 a, q 2 = (ω / C T) and -k 2, ω: circular frequency, k: wave number, C L: longitudinal velocity, C T: Transverse wave velocity, and C P : phase velocity.
상술한 수식2 및 수식3을 수치해석을 통해 각 주파수에 따른 해를 구하면 주파수(f, MHz)x 판두께(d, mm)에 대해 대칭모드(S 모드)와 비대칭모드(A)들 각각의 위상(phase)과 군(group)속도를 나타내는 각각의 분산선도(dispersion curve)를 구할 수 있다. (S mode) and asymmetric mode (A) with respect to the frequency (f, MHz) x plate thickness (d, mm) by obtaining the solutions according to the respective frequencies through the numerical analysis of the above- The dispersion curves representing the phase and the group velocity can be obtained.
도 4a는 위상 속도의 분산선도 그래프이고, 도 4b는 군속도 분산선도 그래프이다.4A is a dispersion diagram of phase velocity, and FIG. 4B is a group velocity dispersion diagram.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 일반 탄소강에 판재 구조물에서 발생될 수 있는 판파의 각 모드들의 주파수와 판두께의 곱(fd값)으로 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 낮은 fd값에서 대칭, 비대칭의 가장 낮은 모드인 S0 와A0 모드가 가장 먼저 발생하며 fd값이 증가할수록 점차 높은 모드들도 발생하여 특정 fd값에서 다수의 모드들이 동시에 발생됨을 볼 수 있다. 또한 각 모드의 위상 속도 및 군속도는 fd값에 따라 변함을 알 수 있다.
Referring to FIGS. 4A and 4B, a product (fd value) of a frequency and a plate thickness of each mode of a plate wave which can be generated in a plate material structure in a general carbon steel is shown. As shown, S 0 and A 0 modes, which are the lowest modes of symmetry and asymmetry at the low fd value, occur first, and as the fd value increases, higher modes are also generated so that a plurality of modes occur simultaneously at a specific fd value Can be seen. It can be seen that the phase velocity and the group velocity of each mode vary depending on the fd value.
상술한 위상 속도 및 군속도 분산선도를 바탕으로 적용 목적에 맞는 판파 모드와 중심 주파수를 결정하게 되고 이에 따라 배열 유도초음파 탐촉자의 구조를 설계, 제작하여 사용하게 된다. 여기서 중요한 설계 요소는 초음파 송수신 압전소자의 중심주파수와 소자간 간격이다. 압전소자의 중심 주파수는 소재와 크기에 의해 결정이 되며 압전소자간 간격은 발생시키고자 하는 판파 모드의 주파수와 위상속도에 의해 결정되는 그 상관 관계는 아래의 수식4로 표현된다.Based on the above-mentioned phase velocity and group velocity dispersion diagram, the plate mode and the center frequency are determined according to the application purpose, and the structure of the array guided ultrasonic probe is designed and manufactured. The important design factor here is the center frequency of the ultrasonic transducer and the distance between the elements. The center frequency of the piezoelectric element is determined by the material and the size, and the interval between the piezoelectric elements is expressed by the following equation (4), which is determined by the frequency and the phase velocity of the plate wave mode to be generated.
(수식4) (Equation 4)
여기서 λ: 파장, D : 압전소자 간격이다.Where λ is the wavelength, and D is the piezoelectric element spacing.
즉, 배열 유도초음파 탐촉자를 이용하여 원하는 판파 모드를 가장 효율적으로 발생시키기 위해서는 발생시키고자 하는 판파 모드의 파장과 동일한 간격으로 압전소자를 배치해야 한다. 일반적으로 사용되는 판파의 파장 길이는 수 mm이고 압전소자의 크기 또는 수 mm이므로 유도초음파의 성능 보장을 위해서는 정밀한 압전소자의 배치와 정렬과 안정적인 고정 방법이 필수적으로 요구된다. 따라서 다수의 압전소자를 사용한 배열형 초음파 탐촉자 제작에는 정밀하고 복잡한 공정이 요구되어 이는 탐촉자의 제작 비용 상승에 직결되어 있다. That is, in order to generate the desired plate wave mode most efficiently by using the array guided ultrasonic probe, the piezoelectric element should be arranged at the same interval as the wavelength of the plate wave mode to be generated. Since the wavelength of a generally used plate wave is several millimeters and the size or thickness of the piezoelectric element is several millimeters, precise placement, alignment and stable fixing of the piezoelectric element are indispensable for ensuring the performance of the guided ultrasonic wave. Therefore, precise and complicated processes are required for manufacturing an array type ultrasonic probe using a plurality of piezoelectric elements, which leads directly to an increase in manufacturing cost of the probe.
이러한 문제점을 해소하기 위해 도 1 및 도 2에서와 같이 단일 압전소자를 이용한 초음파 탐촉자와 배열형 탐촉자와 동일한 효과를 발생시킬 수 있는 웨지를 사용하여 판파를 발생시킬 수 있다. In order to solve such a problem, a plate wave can be generated by using a wedge that can generate the same effect as an ultrasonic probe using a single piezoelectric element and an arrayed probe, as shown in Figs. 1 and 2.
본 발명의 웨지(120)는 일반적인 초음파 비파괴 검사 기법에서 널리 사용되는 웨지와 동일 또는 유사한 소재를 사용할 수 있어 가공이 용이하고 비교적 저가로 제작이 가능하며 발생시키고자 하는 판파 모드에 따라 간격이 상이한 웨지를 제작하여 교체 사용할 수 있으며 장시간 사용에 의한 마모 또는 손상 발생 시 교체가 용이하다.
The
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 판파 발생 장치를 구조적 복잡성을 단순화하고 제작 비용을 낮춰 저가이면서 동시에 원하는 판파 유도 초음파를 발생시킬 수 있다.
As described above, according to the present invention, the film wave generator can simplify the structural complexity and lower the fabrication cost, and can generate desired plate waveguide ultrasound at low cost and at the same time.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
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 particular forms disclosed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
100: 판파 발생 장치
110: 초음파 탐촉자
111: 단일 압전 소자
120: 웨지
121: 몸체
122: 웨지 브리지
123: 웨지 부착부100: plate wave generator
110: Ultrasonic probe
111: Single piezoelectric element
120: Wedge
121: Body
122: Wedge bridge
123: Wedge attachment portion
Claims (4)
상기 초음파를 입력받아 판파를 발생시키되, 일정 길이의 몸체를 구비하고, 상기 몸체로부터 각각 돌출된 복수의 웨지 브리지(wedge bridge)를 구비하며, 상기 복수의 웨지 브리지 각각은 상기 판파의 파장에 기초한 간격에 따라 배치되는 웨지
를 포함하는 판파 발생 장치.
An ultrasonic probe having a single piezoelectric element to generate ultrasonic waves; And
And a plurality of wedge bridges protruding from the body, each of the plurality of wedge bridges having a body having a predetermined length, the wedge bridges each generating a plate wave based on the wavelength of the plate wave, The wedge
(2).
상기 복수의 웨지 브리지 각각은 피검사체의 표면에 접촉하여 판파를 발생시키는 판파 발생 장치.
The method according to claim 1,
Wherein each of the plurality of wedge bridges contacts a surface of an object to be inspected to generate a plate wave.
상기 웨지는 웨지 부착부를 더 포함하여 상기 초음파 탐촉자에 부착되는 판파 발생 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the wedge further comprises a wedge attaching portion and is attached to the ultrasonic probe.
상기 간격은 상기 판파의 파장과 동일한 판파 발생 장치.The method according to claim 1,
And the interval is equal to the wavelength of the plate wave.
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