KR20200022342A - 얕은 기초 두께 파악을 위한 충격 반향 시험 시스템 - Google Patents

얕은 기초 두께 파악을 위한 충격 반향 시험 시스템 Download PDF

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KR20200022342A
KR20200022342A KR1020190099305A KR20190099305A KR20200022342A KR 20200022342 A KR20200022342 A KR 20200022342A KR 1020190099305 A KR1020190099305 A KR 1020190099305A KR 20190099305 A KR20190099305 A KR 20190099305A KR 20200022342 A KR20200022342 A KR 20200022342A
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 얕은 기초 두께 파악을 위한 충격 반향 시험 시스템에 관한 것으로서, 본 발명은 터널벽의 숏크리트, 철탑 기초의 매설, 콘크리트 도로 등에서 얕은 기초의 매설된 구조물의 두께 파악이 정확하고 효과적으로 이루어지는 충격 반향 시험 시스템을 제공한다.

Description

얕은 기초 두께 파악을 위한 충격 반향 시험 시스템{Impact Echo Testing System for Depth Estimation of Shallow Foundations}
본 발명은 충격 반향 시험 시스템에 관한 것으로서, 특히, 콘크리트 부재의 슬래브, 터널벽의 숏크리트, 콘크리트 도로 등에서 구조물의 두께를 정확하고 효과적으로 추정하는 시스템에 관한 것이다.
충격반향기법(Impact Echo)은 비파괴 검사 중 하나로 콘크리트 내부의 결함(공극, 균열 등)을 찾기 위해 개발된 방법으로, 콘크리트 부재의 슬래브, 터널벽의 숏크리트, 콘크리트 도로 등 주로 1 m 미만의 매질의 두께를 추정하는데 사용되어 왔다. 매질 표면에 기계적 충격을 가하면 매질 내부로 전파되는 응력파는 매질의 경계면에서 일부는 다른 매질로 전파되고 일부는 반사되어 표면으로 돌아온다. 반사되어 돌아온 응력파는 기계적 충격을 가한 외부 경계면에서 반사되어 다시 매질 내부로 들어간다. 반복되어 반사된 응력파는 표면에 설치된 수신기에서 측정된다.
이와 같은 충격반향기법은 주로 1 m 미만의 매질에 대해 사용되어 왔지만, 1 m 이상의 매질의 두께 파악을 위하여, 새로운 시스템의 개발이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 충격반향기법을 이용하여 1 m 이상의 얕은 기초의 두께를 정확하고 효과적으로 파악하기 위한 충격 반향 시험 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 충격 반향 시험 시스템은, 타격망치; 상기 타격망치의 움직임을 감지하여 트리거 신호를 생성하는 트리거장치; 매설된 구조물에 상기 타격망치의 타격에 따른 상기 매설된 구조물을 통해 전파된 응력파가 상기 매설된 구조물의 지표면으로 반사되어 돌아오는 반사파를 측정하는 센서부; 및 상기 매설된 구조물에 상기 타격망치의 타격에 따른 상기 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간 이후부터 상기 센서부의 출력을 수집하여 상기 매설된 구조물의 다른 매질과의 경계정보를 분석하여 상기 매설된 구조물의 두께(또는 깊이)를 도출하는 본체부를 포함한다.
상기 충격 반향 시험 시스템은, 상기 매설된 구조물의 지표면 상에 놓이는 타격판을 더 포함하고, 상기 타격판 위를 상기 타격망치로 타격하여 상기 응력파를 발생시킬 수 있다.
상기 트리거장치는, 상기 타격망치의 타격 시의 움직임에 따른 상기 트리거 신호를 생성하기 위한, 영상센서, 적외선 센서 또는 초음파 센서를 포함할 수 있다.
상기 센서부는, 주파수 1~30 kHz 범위의 상기 반사파를 측정하기 위한 가속도계를 포함한다.
상기 센서부는, 주파수 1~2000 Hz 범위의 상기 반사파를 측정하기 위한 속도계를 포함한다.
상기 본체부는, 상기 센서부의 출력 신호를 해당 규격에 맞게 수신하는 수신부; 상기 센서부의 종류에 따라 상기 수신부가 수신하는 신호의 증폭 여부를 설정하는 제어부; 상기 제어부의 증폭 설정에 따라 상기 수신부의 출력 신호를 증폭하는 조정부; 및 상기 수신부의 출력 신호 또는 상기 조정부에서 증폭된 신호를 디지털데이터로 변환하여 메모리에 저장하고, 상기 미리 설정된 지연시간 이후부터 소정의 시간 동안의 저장된 상기 디지털데이터에 대한 주파수 분석을 통하여, 상기 매설된 구조물의 지표면으로부터의 수직 깊이를 포함하는 상기 다른 매질과의 경계정보를 산출하는 디지털처리부를 포함한다.
상기 디지털처리부는, 상기 수신부의 출력 신호 중 상기 센서부의 속도계로부터의 신호를 기초로 산출한 상기 매설된 구조물의 제1깊이와, 상기 수신부의 출력 신호 중 상기 조정부에서 증폭된 상기 센서부의 가속도계로부터의 신호를 기초로 산출한 상기 매설된 구조물의 제2깊이를, 비교하여 임계치 내에서 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1깊이와 상기 제2깊이를 평균하여 상기 매설된 구조물의 깊이로서 출력할 수 있다.
상기 본체부는, 상기 매설된 구조물 하부의 매질이 상기 매설된 구조물 보다 임피던스가 작은 매질일 경우, 수학식
Figure pat00001
을 기초로 상기 매설된 구조물의 깊이(D)를 산출하며, 여기서, 매설된 구조물의 응력파 속도(Vp), 각 공진주파수 모드(n)에서 모드별 공진주파수 (fn), 버림콘크리트의 두께(SC)를 이용한다.
상기 매설된 구조물 하부의 매질이 상기 매설된 구조물 보다 임피던스가 큰매질일 경우, 수학식
Figure pat00002
을 기초로 상기 매설된 구조물의 깊이(D)를 산출하며, 여기서, 매설된 구조물의 응력파 속도(Vp), 각 공진주파수 모드(n)에서 모드별 공진주파수 (fn), 버림콘크리트의 두께(SC)를 이용한다.
상기 본체부는, 시간 영역의 데이터로서 수집된 상기 센서부의 출력에 대하여 고속 푸리에 변환을 이용해 주파수영역의 데이터로 변환하고, 학습 기법에 의해 학습된 데이터를 저장한 학습 데이터베이스를 참조하여, 환경정보에 따라 상기 주파수영역의 데이터의 피크값들에 대해 산출한 공진주파수들 하나 또는 상기 공진주파수들 중 어느 2이상의 주파수들의 평균값을 상기 반사파의 주파수로 결정하고 상기 매설된 구조물의 깊이에 대한 정보를 산출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 충격 반향 시험 방법은, 타격망치로 매설된 구조물에 타격하는 단계; 상기 타격망치의 움직임을 감지하여 트리거 신호를 생성하는 단계; 상기 매설된 구조물을 통해 전파된 응력파가 상기 매설된 구조물의 지표면으로 반사되어 돌아오는 반사파를 측정하는 단계; 및 상기 매설된 구조물에 상기 타격망치의 타격에 따른 상기 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간 이후부터 상기 반사파를 수집하여 상기 매설된 구조물의 다른 매질과의 경계정보를 분석하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 충격 반향 시험 시스템에 따르면, 매설된 구조물의 유지관리를 위해, 매질의 상태 및 두께 파악을 위한 검사 중 준설 작업이 필요 없는 비파괴 검사이기 때문에 작업 비용이 상당히 절감될 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
도 3은 속도계와 가속도계의 응력파 수신 상태의 일례를 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)의 디지털처리부(43)에서의 매설된 구조물에 대한 학습 기법을 통한 분석 결과의 일례를 설명하기 위한 주파수 분석 데이터의 일례이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)은, 타격망치(10), 타격판(11), 트리거장치(20), 센서부(30) 및 본체부(40)를 포함한다. 본체부(40)는 수신부(41), 조정부(42), 디지털처리부(43), 제어부(49)를 포함한다.
충격 반향 시험 시스템(100)은, 매설된 구조물의 매질 내부로 전파되는 응력파를 기초로, 터널벽의 숏크리트, 철탑 기초의 매설, 콘크리트 도로 등 매설된 구조물의 다른 매질과의 경계정보를 분석함으로써, 매설된 구조물의 두께를 효과적으로 정확하게 파악하도록 구현되었다.
먼저, 매설된 구조물의 매질 내부로 응력파를 전파시키기 위하여, 타격망치(10)로 지표면 위로 보이는 매설된 구조물을 타격한다. 다만, 이때 효과적인 응력파의 발생을 위하여 매설된 구조물의 지표면 상에 놓이는 타격판(11)을 이용할 수 있다. 즉, 타격판(11) 위를 타격망치(10)로 타격하여 타격 부위에서 발생한 응력파가 매설된 구조물의 매질 내부로 효과적으로 전파시킬 수 있다. 타격판(11)은 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 테플론 등과 같은 플라스틱 물질로 이루어질 수 있고, 타격망치(10)로 타격할 수 있는 정도의 면적을 가진 적절한 크기의 원형, 사각형 등으로 만들어질 수 있다.
트리거장치(20)는 타격망치(10)가 타격판(11) 또는 매설된 구조물에 타격될때의 움직임을 감지하여 트리거 신호를 생성한다. 타격망치(10)의 움직임을 감지하는 방법은, 영상센서, 적외선 센서, 초음파 센서 등 다양한 센서가 활용될 수 있다. 예를 들어, 트리거장치(20)는 초음파/적외선를 송신하는 송신기를 구비할 수 있으며, 타격망치(10)로부터 반사되는 해당 반사파를 감지하는 수신기를 구비할 수 있고, 이와 같은 초음파/적외선의 송신과 수신을 기초로 타격망치(10)의 타격 시의 타격망치(10)의 움직임에 따른 해당 시점을 알리기 위한 트리거 신호를 생성할 수 있다. 영상센서를 이용하는 경우, 트리거장치(20)는 영상 내의 객체의 움직임을 분석해 트리거 신호를 생성할 수 있다.
매설된 구조물의 표면에 기계적 충격을 가하면 매질 내부로 전파되는 응력파는 매질의 경계면에서 일부는 다른 매질로 전파되고 일부는 반사되어 표면으로 돌아온다. 반사되어 돌아온 응력파는 기계적 충격을 가한 외부 경계면에서 반사되어 다시 매질 내부로 들어간다. 반복되어 반사된 응력파는 표면에 설치된 센서부(30)에서 측정된다.
이러한 센서부(30)는, 매설된 구조물에 타격망치(10)의 타격에 따른 매설된 구조물을 통해 전파된 응력파가 매설된 구조물의 지표면으로 반사되어 돌아오는 반사파를 측정한다. 센서부(30)는, 비교적 매설된 구조물의 경계면까지의 깊이가 깊지 않을 때의, 주파수 1~30 kHz 범위의 반사파를 측정하기 위한 가속도계를 포함한다. 또한, 센서부(30)는, 비교적 매설된 구조물의 경계면까지의 깊이가 깊을 때의, 주파수 1~2000 Hz 범위의 반사파를 측정하기 위한 속도계를 포함할 수 있다.
본체부(40)는 매설된 구조물에 타격망치(10)의 타격에 따른 트리거장치(20)의 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간(예, 1초, 2초,...등) 이후부터 센서부(30)의 출력을 수집하여 매설된 구조물의 다른 매질과의 경계정보를 분석한다.
본체부(40)는, 센서부(30)의 출력 신호를 해당 규격(예, 시리얼포트, 병렬포트, USB 포트 등)에 맞게 수신하는 수신부(41), 센서부(30)의 종류(가속도계 또는 속도계)에 따라 수신부(41)가 수신하는 신호의 증폭 여부를 설정하는 제어부(49), 제어부(49)의 증폭 설정에 따라 수신부(41)의 출력 신호를 증폭(예, 가속도계의 미약한 신호를 증폭)하는 조정부(42), 및 수신부(41)의 출력 신호 또는 조정부(52)에서 증폭된 신호를 디지털데이터로 변환하여 메모리(도시되지 않음)에 저장하고, 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간(예, 1초, 2초,...등) 이후부터 소정의 시간 동안의 저장된 디지털데이터에 대한 주파수 분석을 통하여, 매설된 구조물의 지표면으로부터의 수직 깊이를 포함하는 다른 매질과의 경계정보 등을 산출하는 디지털처리부(43)를 포함한다.
제어부(49)는, 위와 같은 수신부(41)가 수신하는 신호의 증폭 여부의 설정을 제어하는 것 이외에도, 본체부(40)에서의 충격 반향 시험 관련 응용의 전반적인 처리를 위한 모든 제어를 수행한다. 제어부(49)는, 반도체 프로세서와 같은 하드웨어, 응용 프로그램과 같은 소프트웨어, 또는 이들의 결합으로 구현될 수 있다.
이와 같은 본체부(40)는, 휴대하기 편리한 테블릿 PC, 노트북 PC 기타 전용 PDA(Personal Digital Assistant) 등일 수 있으며, 경우에 따라서는 음성/영상 전화 통화가능한 스마트폰이나 웨어러블 디바이스 등도 가능하며, 또한, 데스크탑 PC 기타 통신 전용 유선 단말기 등, 다양한 유무선 통신 단말기를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)의 동작 설명을 위하여 도 2의 흐름도를 참조하여 좀 더 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
먼저, 매설된 구조물의 매질 내부로 응력파를 전파시키기 위하여, 사용자는 타격망치(10)로 지표면 위로 보이는 매설된 구조물을 타격한다(S110). 다만, 이때 효과적인 응력파의 발생을 위하여 매설된 구조물의 지표면 상에 놓이는 타격판(11) 위를 타격망치(10)로 타격하여 타격 부위에서 발생한 응력파가 매설된 구조물의 매질 내부로 효과적으로 전파시키는 것이 바람직하다.
이에 따라, 트리거장치(20)는 타격망치(10)가 타격판(11) 또는 매설된 구조물에 타격될때의 움직임을 감지하여 트리거 신호를 생성한다(S120). 예를 들어, 트리거장치(20)에 구비된 송신기는 초음파를 송신하고, 트리거장치(20)에 구비된 수신기는 타격망치(10)로부터 반사되는 해당 반사파를 감지함으로써, 트리거장치(20)는 타격망치(10)의 타격 시의 타격망치(10)의 움직임에 따른 해당 시점을 알리기 위한 트리거 신호를 생성할 수 있다.
매설된 구조물의 표면에 기계적 충격을 가하면 매질 내부로 전파되는 응력파는 매질의 경계면에서 일부는 다른 매질로 전파되고 일부는 반사되어 표면으로 돌아온다. 반사되어 돌아온 응력파는 기계적 충격을 가한 외부 경계면에서 반사되어 다시 매질 내부로 들어간다. 반복되어 반사된 응력파는 표면에 설치된 센서부(30)에서 측정된다(S120). 이러한 센서부(30)는, 매설된 구조물에 타격망치(10)의 타격에 따른 매설된 구조물을 통해 전파된 응력파가 매설된 구조물의 지표면으로 반사되어 돌아오는 반사파를 측정한다. 센서부(30)는, 비교적 매설된 구조물의 경계면까지의 깊이가 깊지 않을 때의, 주파수 1~30 kHz 범위의 반사파를 측정하기 위한 가속도계를 포함한다. 또한, 센서부(30)는, 비교적 매설된 구조물의 경계면까지의 깊이가 깊을 때의, 주파수 1~2000 Hz 범위의 반사파를 측정하기 위한 속도계를 포함할 수 있다.
본체부(40)는, 깨끗한 신호의 획득을 위하여, 매설된 구조물에 타격망치(10)의 타격에 따른 트리거장치(20)의 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간(예, 1초, 2초,...등) 이후부터 센서부(30)의 출력을 수집하여 매설된 구조물의 다른 매질과의 경계정보를 분석한다(S120).
예를 들어, 본체부(40)의 수신부(41)는, 센서부(30)의 출력 신호를 해당 규격(예, 시리얼포트, 병렬포트, USB 포트 등)에 맞게 수신한다.
본체부(40)의 제어부(49)는 센서부(30)의 종류(가속도계 또는 속도계)에 따라 수신부(41)가 수신하는 신호의 증폭 여부를 설정할 수 있다. 조정부(42)는, 제어부(49)의 증폭 설정에 따라 수신부(41)의 출력 신호를 증폭, 예를 들어, 센서부(30)에 포함된 가속도계의 미약한 신호를 미리 설정된 신호 크기로(예, 2배, 5배, 10배, 100배,..등) 증폭하여 출력할 수 있다.
예를 들어, 센서부(30)를 구성하는 가속도계로부터의 신호는 매설된 구조물의 전체적인 트렌드를 보기 위하여 적용될 수 있다. 또한, 센서부(30)를 구성하는 속도계로부터의 신호는 신호 증폭이 필요없다기 보다는 보통 조정부(42)의 증폭기를 같이 사용하지 않고, 타격망치(10)에 의한 가진을 더 크게하는 방식으로 사용할 수 있다. 매설된 구조물의 깊이가 크면 전파되는 매질 길이가 길어 신호가 더 약하게 들어오기 때문에 증폭기가 적용되는 가속도계를 사용하는 것이 바람직하고, 매설된 구조물의 매질의 공진 주파수는 매질의 길이가 길면 작아지기 때문에 작은 주파수 영역을 잘 캐취하는 속도계를 사용하는 것이 바람직하다. 보통은 두개의 센서, 즉, 가속도계와 속도계로부터 얻어진 매설된 구조물의 깊이가 비슷하기 때문에 평균하여 그 깊이가 산출될 수 있다. 매설된 구조물의 매질(기초)의 깊이가 깊으면 속도계에서는 신호가 들어오나, 가속도계에서는 신호가 들어오지 않는 경우도 발생할 수 있다.
본체부(40)의 디지털처리부(43)는, 수신부(41)의 출력 신호(예, 도 3의 속도계(Geophone)의 신호) 또는 조정부(52)에서 증폭된 신호(예, 도 3의 가속도계(accelerometer)의 증폭 신호)를 디지털데이터로 변환하여 메모리(도시되지 않음)에 저장한다. 디지털처리부(43)는, 위와 같은 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간(예, 1초, 2초,...등) 이후부터 소정의 시간 동안의 메모리에 저장된 디지털데이터에 대한 주파수 분석을 통하여, 매설된 구조물의 지표면으로부터의 수직 깊이를 포함하는 다른 매질과의 경계정보 등을 산출할 수 있다(S140). 이때 디지털처리부(43)는, 수신부(41)의 출력 신호(예, 도 3의 속도계(Geophone)의 신호)를 기초로 산출한 매설된 구조물의 깊이와, 조정부(52)에서 증폭된 신호(예, 도 3의 가속도계(accelerometer)의 증폭 신호)를 기초로 산출한 매설된 구조물의 깊이를, 비교하여 임계치 내에서 유사한 값을 갖는 경우, 그 값들을 평균하여 매설된 구조물의 깊이로서 출력할 수 있다.
도 3과 같은 수신된 응력파를 참조하면, 위와 같은 충격반향기법을 기초로 속도계/가속도계로부터 얻어진 응력파(반사파)를 기초로 산출된 각 공진주파수 모드(n)에서 모드별 공진주파수 (fn)는, 콘크리트와 같은 매설된 구조물에서의 응력파 속도(Vp)와, [수학식1], [수학식2]와 같은 관계를 가지며, 이를 통해 매설된 구조물의 깊이(D)가 산출될 수 있다. 예를 들어, 콘트리트에서 Vp는 대략 3800~4200 m/s이다. 모드별 공진주파수 (fn)는 매설된 구조물, 즉, 매질의 고유한 특성에 의해 정해질 수 있다. 여기서, SC는 버림콘크리트의 두께이다. 버림콘크리트(subslab concrete)는 실제 매설된 구조물(콘크리트) 하부에 잡석다짐/자갈다짐 등 예비작업 후에 먹출치기 등을 위해 평평하게 만드는데 사용될 수 있다.
[수학식1]
Figure pat00003
[수학식2]
Figure pat00004
예를 들어, [수학식1]은 매설된 구조물(예, 철탑기초) 하부의 매질이 매설된 구조물(예, 철탑기초)을 구성하는 콘크리트에 비해 임피던스가 작은 매질일 경우에 적용될 수 있으며, [수학식2]는 매설된 구조물(예, 철탑기초) 하부의 매질이 매설된 구조물(예, 철탑기초)을 구성하는 콘크리트에 비해 임피던스가 큰 매질일 경우에 적용될 수 있다.
두께나 심도를 탐지하고자 하는 대상 매설된 구조물의 표면에 타격망치(10) 등으로 물리적 충격을 가하면 대상체 내부로 전파되는 응력파(또는 탄성파)는 매질의 경계면에서 반사되어 표면으로 돌아온다. 충격반향기법은 표면에 설치된 수진기(속도계/가속도계)에서 위와 같이 반사파의 도달시간을 측정하고 매질의 응력파속도 정보를 이용하여 매질의 두께나 심도를 산출하는 방법이다.
매설된 구조물(예, 철탑기초)에 지표 바닥면에서의 반사파의 에너지가 큰 경우에는, 디지털처리부(43)에서의 시간영역에서 도달시간에 대한 분석을 통해 철탑기초의 깊이를 산출할 수 있다. 하지만, 철탑기초가 균질하지 않거나 불순물, 결함 또는 공극이 있으면 바닥면에서의 반사파 외에 여러 형태의 응력파가 측정되어 시간 영역에서의 파형 해석이 어렵게 된다. 이 경우에는 시간영역에서 측정된 파형을 디지털처리부(43)에서의 고속 푸리에 변환과 같은 자료처리 기법을 통해 주파수영역으로 변환이 가능하며, 주파수영역에서 각 공진주파수 모드(n)의 주파수 값(예, 매질의 1차모드 공진주파수 f1, 2차모드 공진주파수 f2, 3차모드 공진주파수 f3,...)을 이용하여 매설된 구조물(예, 철탑기초)의 깊이에 대한 정보를 파악할 수 있다.
충격반향기법은 [수학식1], [수학식2]와 같이 반사파의 도달시간으로부터 매설된 구조물(예, 철탑기초) 깊이를 계산하며, 반사파의 신호 크기와 분해능에 의해 탐지성능과 정확도가 좌우될 수 있다. 통상적으로 여러개의 수진기를 이용하여 자료를 획득하고 측정자료에 대한 시간영역 및 주파수영역 분석을 수행하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)의 디지털처리부(43)에서의 매설된 구조물에 대한 학습 기법을 통한 분석 결과의 일례를 설명하기 위한 주파수 분석 데이터의 일례이다.
매설된 구조물(예, 철탑기초)에 대하여 위와 같은 센서부(30)의 속도계/가속도계로부터 얻어진 응력파(반사파) 출력에 대하여, 디지털처리부(43)는, 위와 같은 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간(예, 1초, 2초,...등) 이후부터 소정의 시간 동안의 메모리에 수집된 디지털데이터(속도계의 신호, 가속도계의 증폭 신호)에 대한 주파수 분석을 통하여, 매설된 구조물의 지표면으로부터의 수직 깊이를 포함하는 다른 매질과의 경계정보 등을 산출할 수 있다(S140).
이때 디지털처리부(43)는, 도 3과 같이 시간영역에서 측정된 응력파(반사파)파형의 데이터를 고속 푸리에 변환과 같은 자료처리 기법을 통해 변환하여 도 4의 실선과 같이 주파수영역의 데이터로 변환할 수 있다.
[수학식1], [수학식2]에서와 같은 응력파(반사파)의 주파수(fn)를 산출하기 위하여, 디지털처리부(43)는 도 4의 실선과 같은 주파수영역의 데이터에 근접한 피크값들이 포함된 소정의 함수(도 4에서 점선들이 나타내는 함수)를 추출해, 주파수영역의 데이터의 피크값들의 주파수(fn = f1, f2, f3, f4)를 분석한다. [수학식1], [수학식2]에서와 같이 응력파(반사파)의 주파수(fn)를 산출하면 매설된 구조물(예, 철탑기초)의 깊이에 대한 정보를 파악할 수 있다. 여기서, 피크값들의 주파수, 즉, 모드별 공진주파수 (fn= f1, f2, f3, f4)는 매질의 1차모드 공진주파수(f1), 2차모드 공진주파수(f2), 3차모드 공진주파수(f3), 4차모드 공진주파수(f4)를 나타내며, 이론적으로 f2=2f1, f3=3f1, f4=4f1이다.
매설된 구조물(예, 철탑기초)이 균질하지 않거나 불순물, 결함 또는 공극이 있으면 바닥면에서의 반사파 외에 여러 형태의 응력파가 측정되어 파형 해석이 어렵게 된다. 즉, 잡음에 의한 신호 왜곡이 있는 경우, 주파수영역의 데이터의 피크값들에 대해 산출한 각 모드별 공진주파수들 f2, f3, f4가 f1의 정수배가 되지 않게 된다.
따라서, 디지털처리부(43)는 머신러닝(ANN, Artificial Neural Network) 또는 딥러닝(CNN, Convolutional Neural Network) 등 학습 기법에 의해 학습된 데이터를 기초로 매설된 구조물(예, 철탑기초)의 깊이에 대한 정보를 좀 더 정확히 판단할 수 있다.
예를 들어, 디지털처리부(43)는 매설된 구조물(예, 철탑기초)의 환경정보(예, 주변 암석의 종류, 매설된 구조물의 콘크리트 등의 특성, 매설된 구조물 위의 철탑 등의 무게 등)에 따른 위와 같은 학습된 데이터를 저장한 학습 데이터베이스를 구비할 수 있다. 디지털처리부(43)는 이와 같은 학습 데이터베이스를 참조하여 해당 매설된 구조물(예, 철탑기초)의 환경 정보에 맞게, 주파수영역의 데이터의 피크값들에 대해 산출한 각 모드의 공진주파수들 (f1, f2, f3, f4) 중 하나 또는 그 주파수들 중 어느 2이상의 주파수들의 평균값을 응력파(반사파)의 주파수(fn)로 결정함으로써, 이를 [수학식1], [수학식2]에 적용해 매설된 구조물(예, 철탑기초)의 깊이에 대한 정보를 좀 더 정확히 판단할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 충격 반향 시험 시스템(100)은, 휴대하기 편리한 테블릿 PC, 노트북 PC 기타 전용 PDA 등의 본체부(40)에서 응력파의 수집과 주파수 분석이 효과적으로 이루어져, 터널벽의 숏크리트, 철탑 기초의 매설, 콘크리트 도로 등에서 얕은 기초의 매설된 구조물의 두께 파악이 정확하고 용이하게 이루어질 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 타격망치
11: 타격판
20: 트리거장치
30: 센서부
40: 본체부
41: 수신부
42: 조정부
43; 디지털처리부
49: 제어부

Claims (11)

  1. 타격망치;
    상기 타격망치의 움직임을 감지하여 트리거 신호를 생성하는 트리거장치;
    매설된 구조물에 상기 타격망치의 타격에 따른 상기 매설된 구조물을 통해 전파된 응력파가 상기 매설된 구조물의 지표면으로 반사되어 돌아오는 반사파를 측정하는 센서부; 및
    상기 매설된 구조물에 상기 타격망치의 타격에 따른 상기 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간 이후부터 상기 센서부의 출력을 수집하여 상기 매설된 구조물의 다른 매질과의 경계정보를 분석하는 본체부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매설된 구조물의 지표면 상에 놓이는 타격판을 더 포함하고,
    상기 타격판 위를 상기 타격망치로 타격하여 상기 응력파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트리거장치는, 상기 타격망치의 타격 시의 상기 타격망치의 움직임에 따른 상기 트리거 신호를 생성하기 위한 영상센서, 적외선 센서 또는 초음파 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    주파수 1~30 kHz 범위의 상기 반사파를 측정하기 위한 가속도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    주파수 1~2000 Hz 범위의 상기 반사파를 측정하기 위한 속도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는,
    상기 센서부의 출력 신호를 해당 규격에 맞게 수신하는 수신부;
    상기 센서부의 종류에 따라 상기 수신부가 수신하는 신호의 증폭 여부를 설정하는 제어부;
    상기 제어부의 증폭 설정에 따라 상기 수신부의 출력 신호를 증폭하는 조정부; 및
    상기 수신부의 출력 신호 또는 상기 조정부에서 증폭된 신호를 디지털데이터로 변환하여 메모리에 저장하고, 상기 미리 설정된 지연시간 이후부터 소정의 시간 동안의 저장된 상기 디지털데이터에 대한 주파수 분석을 통하여, 상기 매설된 구조물의 지표면으로부터의 수직 깊이를 포함하는 상기 다른 매질과의 경계정보를 산출하는 디지털처리부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디지털처리부는,
    상기 수신부의 출력 신호 중 상기 센서부의 속도계로부터의 신호를 기초로 산출한 상기 매설된 구조물의 제1깊이와, 상기 수신부의 출력 신호 중 상기 조정부에서 증폭된 상기 센서부의 가속도계로부터의 신호를 기초로 산출한 상기 매설된 구조물의 제2깊이를, 비교하여 임계치 내에서 유사한 값을 갖는 경우, 상기 제1깊이와 상기 제2깊이를 평균하여 상기 매설된 구조물의 깊이로서 출력하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는, 상기 매설된 구조물 하부의 매질이 상기 매설된 구조물 보다 임피던스가 작은 매질일 경우,수학식
    Figure pat00005

    을 기초로 상기 매설된 구조물의 깊이(D)를 산출하며, 여기서, 매설된 구조물의 응력파 속도(Vp) 각 공진주파수 모드(n)에서 모드별 공진주파수 (fn), 버림콘크리트의 두께(SC)를 이용하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는,
    상기 매설된 구조물 하부의 매질이 상기 매설된 구조물 보다 임피던스가 큰매질일 경우, 수학식
    Figure pat00006

    을 기초로 상기 매설된 구조물의 깊이(D)를 산출하며, 여기서, 매설된 구조물의 응력파 속도(Vp), 각 공진주파수 모드(n)에서 모드별 공진주파수 (fn), 버림콘크리트의 두께(SC)를 이용하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는,
    시간 영역의 데이터로서 수집된 상기 센서부의 출력에 대하여 고속 푸리에 변환을 이용해 주파수영역의 데이터로 변환하고, 학습 기법에 의해 학습된 데이터를 저장한 학습 데이터베이스를 참조하여, 환경정보에 따라 상기 주파수영역의 데이터의 피크값들에 대해 산출한 공진주파수들 하나 또는 상기 공진주파수들 중 어느 2이상의 주파수들의 평균값을 상기 반사파의 주파수로 결정하고 상기 매설된 구조물의 깊이에 대한 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 시스템.
  11. 타격망치로 매설된 구조물에 타격하는 단계;
    상기 타격망치의 움직임을 감지하여 트리거 신호를 생성하는 단계;
    상기 매설된 구조물을 통해 전파된 응력파가 상기 매설된 구조물의 지표면으로 반사되어 돌아오는 반사파를 측정하는 단계; 및
    상기 매설된 구조물에 상기 타격망치의 타격에 따른 상기 트리거 신호의 발생 시점으로부터 미리 설정된 지연시간 이후부터 상기 반사파를 수집하여 상기 매설된 구조물의 다른 매질과의 경계정보를 분석하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 반향 시험 방법.
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