KR20200075492A - 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

표면파를 이용한 표면응력 추정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 추정 장치는 초음파 웨지를 이용하여 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시키는 초음파 송신부, 상기 초음파 웨지를 이용하여 상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부, 상기 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하는 초음파 음속 측정부, 및 상기 피검사체 및 상기 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율에 기초하여 상기 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정하는 표면응력 추정부를 포함한다.

Description

표면파를 이용한 표면응력 추정 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING OF SURFACE STRESS USING SURFACE WAVE}
본 발명은 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임의의 세 방향에서 기준대상 및 측정대상 간의 초음파 음속 비율을 이용하여 표면응력을 추정하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
산업현장에서 외부 하중에 의한 응력이나, 제조과정이나 반복적인 환경변화에 의하여 발생하는 잔류응력은 재료 및 구조물의 피로 또는 강도의 저하에 영향을 끼칠 뿐만 아니라 제품의 품질에 직결되는 요소이므로 재료에 존재하는 잔류응력의 모니터링이 중요하다. 잔류응력을 계측하는 방법으로는 파괴적인 방법이나 비파괴적인 방법을 이용할 수 있지만, 재료의 손상을 방지하기 위해서는 비파괴적인 측정방법이 요구된다.
비파괴적으로 재료의 응력을 측정하는 방법 중 하나로 초음파 음탄성 효과를 이용하는 방법이 있다. 음탄성 효과란 응력에 따라 초음파의 음속이 변하는 현상을 일컫는데, 이는 종파뿐만 아니라, 횡파 및 표면파에서 모두 나타난다. 종파와 횡파는 내부 응력의 추정에 활용되고 표면파는 표면 또는 표층부 응력의 측정에 활용된다.
종파나 횡파를 이용하여 음속을 측정하기 위해서는 재료의 정확한 두께를 사전에 알아야 하는데, 산업현장에서 재료가 다양한 가공공정을 거치기 때문에 재료의 정확한 두께를 아는 것은 쉽지 않다. 따라서, 이러한 환경에서 잔류응력을 측정하기 위해서는 측정대상의 두께와 무관하게 초음파의 음속을 측정할 수 있는 표면파가 더 용이하다고 할 수 있다.
한편, 실제 재료들은 원 소재가 등방성이라 하더라도 다양한 가공과정을 거치면서 약한 이방성 성질을 가지게 된다. 재료가 이방성 성질을 가지게 되면 표면파의 음속이 방향에 따라서 달라지기 되기 때문에 등방성 이론을 이용하여 잔류응력을 측정할 경우 오차가 크게 발생된다. 또한, 잔류응력의 주응력 방향을 사전에 알기 어려워 주응력 방향을 모르는 경우에도 잔류응력을 측정할 수 있는 기법이 필요하다.
이에 따라, 약한 이방성 재료에서 주응력 방향과 무관하게 응력을 측정할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 KR 10-0955783(발명의 명칭:응력파를 이용한 콘크리트 구조물의 비파괴검사 방법, 등록일자: 2010년 4월 26일)가 있다.
본 발명의 실시예들은 임의의 세 방향에서 기준대상인 피검사체와 측정대상인 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율을 이용하여 측정대상의 표면응력을 추정하기 위한 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치는 초음파 웨지를 이용하여 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시키는 초음파 송신부, 상기 초음파 웨지를 이용하여 상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부, 상기 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하는 초음파 음속 측정부, 및 상기 피검사체 및 상기 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율에 기초하여 상기 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정하는 표면응력 추정부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초음파 웨지에는 입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 피검사체의 표면에 상기 초음파 신호를 입사시키기 위한 복수의 초음파 송신센서, 및 상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환하여 상기 초음파 신호를 수신하기 위한 복수의 초음파 수신센서가 장착될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초음파 웨지는 상기 피검사체에 접촉되며 제1 길이를 가지는 제1 웨지면, 상기 제1 웨지면에 평행하게 형성되며 상기 제1 길이보다 짧은 제2 길이를 가지는 제2 웨지면, 및 상기 제1 웨지면과 상기 제2 웨지면을 연결하며 소정의 경사각을 가지도록 형성된 다수의 제3 웨지면을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 다수의 제3 웨지면에는 상기 복수의 초음파 송신센서 및 상기 복수의 초음파 수신센서가 장착되기 위한 홀이 구비되며, 한 쌍의 초음파 송신센서 및 초음파 수신센서가 장착되는 각각의 홀은 상기 제1 웨지면 및 상기 제2 웨지면을 교차하는 중심축을 기준으로 서로 마주볼 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초음파 웨지에 대한 상기 초음파 신호의 입사각도는 스넬의 법칙에 관한 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, n1은 상기 초음파 웨지의 굴절율, θ1은 상기 초음파 웨지의 입사각도, n2는 상기 피검사체의 굴절율, θ2는 상기 피검사체의 굴절각도를 의미함.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초음파 송신부는 상기 복수의 초음파 송신센서 중 하나를 선택하는 초음파 송신채널부를 포함하고, 상기 초음파 수신부는 상기 복수의 초음파 수신센서 중 하나를 선택하는 초음파 수신채널부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초음파 음속 측정부는 상기 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 45도 간격을 기준으로 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하고, 상기 세 방향에서의 초음파 음속에 관하여 하기 수학식 2 내지 수학식 4과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
[수학식 3]
Figure pat00003
[수학식 4]
Figure pat00004
여기서, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 상기 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ+90,R는 상기 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, K1 및 K2는 음탄성계수이고, σ1 및 σ2는 표면응력의 주응력을 의미함.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 σ1=σ 이고 σ2=0 인 조건하에 상기 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향에 따른 음탄성계수에 관하여 하기 수학식 5 및 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
[수학식 6]
Figure pat00006
여기서, K1 및 K2는 음탄성계수이고, V0는 응력상태인 상기 피검사체로부터 수신된 초음파 신호가 주응력 방향과 평행하게 전파하는 경우의 초음파 음속이고, V90은 응력상태인 상기 피검사체로부터 수신된 초음파의 전파 방향과 주응력 방향이 수직한 경우의 초음파 음속이고, V0,R는 무응력상태인 상기 피검사체로부터 수신된 초음파 신호가 주응력 방향과 평행하게 전파하는 경우의 초음파 음속이고, V90,R은 무응력상태인 상기 피검사체로부터 수신된 초음파의 전파 방향과 주응력 방향이 수직한 경우의 초음파 음속을 의미함.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 표면응력 추정부는 상기 수학식 2 내지 수학식 4를 연립 및 정리하여 상기 초음파 음속 비율이 반영된 주응력 방향과 측정 방향 사이의 각도에 관하여 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00007
여기서, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 상기 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ+90,R는 상기 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속을 의미함.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 표면응력 추정부는 상기 수학식 7을 상기 수학식 2 내지 상기 수학식 4에 각각 대입하여 산출되는 하기 수학식 8 및 수학식 9에 기초하여 상기 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정할 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00008
[수학식 9]
Figure pat00009
여기서, σ1 및 σ2는 표면응력의 주응력을 의미하고, K1 및 K2는 음탄성계수이고, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 상기 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ + 90,R는 상기 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속을 의미함.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 방법은 초음파 웨지를 이용하여 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시키는 단계, 상기 초음파 웨지를 이용하여 상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 단계, 상기 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하는 단계, 및 상기 피검사체 및 상기 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율에 기초하여 상기 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초음파 웨지에는 입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 피검사체의 표면에 상기 초음파 신호를 입사시키기 위한 복수의 초음파 송신센서, 및 상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환하여 상기 초음파 신호를 수신하기 위한 복수의 초음파 수신센서가 장착될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초음파 신호를 입사시키는 단계는 상기 입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환하는 상기 복수의 초음파 송신센서 중 하나를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 초음파 신호를 수신하는 단계는 상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환하는 상기 복수의 초음파 수신센서 중 하나를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 이방성을 가지는 재료에 적용 가능하며, 주응력 방향과 무관하게 임의의 세 방향에서 기준대상인 피검사체와 측정대상인 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율을 이용하여 측정대상의 표면응력을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 세 쌍의 초음파 송수신 센서를 하나의 초음파 웨지에 결합하여 한 번의 접촉만으로 세 방향에서의 초음파 음속을 측정할 수 있으며, 세 쌍의 초음파 송수신 센서 간의 측정 축간 간격을 일정하게 구현하여 측정 정밀도를 향상시킴과 동시에 측정시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 피검사체에 초음파 웨지가 장착된 모습을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 웨지를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치의 구체적인 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치의 구체적인 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 음탄성계수 K1을 나타낸 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 음탄성계수 K2을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 알루미늄 재료에서의 표면응력 추정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 종래의 등방성 이론을 이용한 이방성 재료에서의 표면응력 추정오차를 나타낸 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이방성 재료에서의 표면응력 추정오차를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 피검사체에 초음파 웨지가 장착된 모습을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 웨지를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치의 구체적인 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치의 구체적인 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치(100)는 초음파 송신부(110), 초음파 수신부(120), 초음파 음속 측정부(130), 및 표면응력 추정부(140) 등을 포함할 수 있다.
초음파 송신부(110)는 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시킬 수 있다.
초음파 수신부(120)는 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 수신할 수 있다.
초음파 송신부(110) 및 초음파 수신부(120)는 초음파 음탄성 효과를 이용하여 재료의 표면응력을 측정하는데 일반적으로 사용되는 구성에 해당하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 피검사체는 기준 피검사체에 해당하며, 후술하는 표면응력이 발생된 피검사체와 구분될 수 있다.
초음파 송신부(110) 및 초음파 수신부(120)는 각각 초음파 웨지를 이용하여 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시키거나, 반사되는 초음파 신호를 수신할 수 있다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서의 초음파 웨지(10)는 피검사체(20)의 일측에 접촉될 수 있으며, 자세하게는 웨지의 밑면에 오일이나 젤과 같은 커플런트를 사용하여 피검사체(20)의 일측에 접촉될 수 있다.
초음파 웨지(10)는 피검사체(10)에 대하여 임의의 세 방향에서의 초음파 음속을 측정할 수 있으며, 본 실시예에서는 초음파 음속의 측정 축 간 간격을 45도로 설정하였다. 그러나, 이에 제한되지 않고, 초음파 음속의 측정 축 간 간격을 30도, 40도와 같이 다양한 각도로 설정할 수 있다.
참고로, 도 2에 도시된 초음파 웨지(10)는 측정 축에 따라 몸체를 분리하여 나타낸 것이며, 실제로는 하나의 몸체로 구현될 수 있다.
본 실시예에서 초음파 웨지(10)와 피검사체가 이루고 있는 각도는 초음파 신호가 피검사체(20)에 입사되는 각도로 설계될 수 있다.
여기서, 초음파 신호가 피검사체(20)에 입사되는 각도는 초음파 웨지(10)의 굴절율과 피검사체(20)의 굴절율에 따라 달라질 수 있다.
즉, 초음파 웨지(10)에 대하여 피검사체(20)에 입사되는 초음파 신호의 입사각도는 스넬의 법칙에 관한 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00010
여기서, n1은 초음파 웨지(10)의 굴절율, θ1은 초음파 웨지(10)의 입사각도, n2는 피검사체의 굴절율, θ2는 피검사체의 굴절각도를 의미한다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 초음파 웨지(10)는 피검사체에 접촉되며 제1 길이를 가지는 제1 웨지면(12), 제1 웨지면(12)에 평행하게 형성되며 제1 길이보다 짧은 제2 길이를 가지는 제2 웨지면(14), 및 제1 웨지면(12)과 제2 웨지면(14)을 연결하며 소정의 경사각을 가지도록 형성된 다수의 제3 웨지면(16)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 구조를 가지는 초음파 웨지(10)에는 복수의 초음파 송신센서(19) 및 복수의 초음파 수신센서(19)가 장착될 수 있다.
복수의 초음파 송신센서(19)는 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시키기 위해 입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환할 수 있다.
즉, 복수의 초음파 송신센서(19)는 표면응력 추정에 필요한 초음파 신호의 크기 및 주파수 등을 설정하여 전기신호를 발생시키는 초음파 발생장치로부터 입력된 전기신호를 초음파 신호로 변환할 수 있다.
복수의 초음파 수신센서(19)는 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 수신하기 위해 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환할 수 있다.
즉, 복수의 초음파 수신센서(19)는 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환할 수 있으며, 표면응력을 추정할 수 있도록 전기신호를 시간과 진폭으로 가공시키는 초음파 신호 가공 장치에게 변환된 전기신호를 전달할 수 있다.
본 실시예에서는 피검사체에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하기 위해 세 쌍의 초음파 송신센서(19)와 초음파 수신센서(19)가 초음파 웨지(10)에 장착될 수 있다.
이때, 초음파 웨지(10)의 제3 웨지면(16)에는 복수의 초음파 송신센서(19) 및 복수의 초음파 수신센서(19)가 장착되기 위한 홀(18)이 구비될 수 있다.
한 쌍의 초음파 송신센서(19) 및 초음파 수신센서(19)가 장착되는 각각의 홀(18)은 제1 웨지면(12) 및 제2 웨지면(14)을 교차하는 중심축을 기준으로 서로 마주볼 수 있다.
즉, 한 쌍의 초음파 송신센서(19) 및 초음파 수신센서(19)가 장착되는 홀(18)을 서로 연결하는 직선은 초음파 웨지(10)의 중심축을 통과할 수 있다.
이에 따라, 각 쌍의 초음파 송신센서(19) 및 초음파 수신센서(19)는 서로 다른 측정방향을 나타내도록 초음파 웨지(10)에 장착될 수 있다.
참고로, 복수의 초음파 송신센서(19) 및 초음파 수신센서(19)가 초음파 웨지(10)의 제3 웨지면(16)에 구비된 홀(18)에 장착된 모습은 도 3c와 같을 수 있는데, 이에 제한되지 않고, 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
아울러, 각 쌍의 초음파 송신센서(19) 및 초음파 수신센서(19) 간의 거리는 동일하다.
이로써, 본 발명의 실시예들에 따르면, 세 쌍의 초음파 송수신 센서를 하나의 초음파 웨지(10)에 결합하여 한 번의 접촉만으로 세 방향에서의 초음파 음속을 측정할 수 있으며, 세 쌍의 초음파 송수신 센서 간의 측정 축간 간격을 일정하게 구현하여 측정 정밀도를 향상시킴과 동시에 측정시간을 단축시킬 수 있다.
초음파 음속 측정부(130)는 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속을 측정할 수 있다.
초음파 음속 측정부(130)가 상기 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하기 위한 설명은 다음과 같다.
초음파 음속 측정부(130)는 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 45도 간격을 기준으로 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하고, 세 방향에서의 초음파 음속에 관하여 하기 수학식 2 내지 수학식 4과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 2 내지 수학식 4는 각각 방정식으로서 다음과 같다.
[수학식 2]
Figure pat00011
[수학식 3]
Figure pat00012
[수학식 4]
Figure pat00013
여기서, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ +90,R는 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, K1 및 K2는 음탄성계수이고, σ1 및 σ2는 표면응력의 주응력을 의미한다.
이때, K1과 K2는 표면응력이 없는 피검사체에 대하여 σ2=0 인 조건하에 σ1을 변화시키며 산출할 수 있다. 다시 말해, σ1=σ 이고 σ2=0 인 조건하에 σ을 변화시키며 산출할 수 있다.
이후에, 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 일치하는 경우, 즉 θ=0에서의 초음파 음속과 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 수직하는 경우, 즉 θ=90에서의 초음파 음속을 측정함으로써, K1과 K2에 관하여 하기 수학식 5 및 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00014
[수학식 6]
Figure pat00015
여기서, K1 및 K2는 음탄성계수이고, V0는 응력상태인 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 일치하는 경우의 초음파 음속이고, V90은 응력상태인 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 수직한 경우의 초음파 음속이고, V0,R는 무응력상태인 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 일치하는 경우의 초음파 음속이고, V90,R은 무응력상태인 피검사체로부터 수신된 초음파의 전파 방향과 주응력 방향이 수직한 경우의 초음파 음속을 의미한다.
참고로, 음탄성계수 K1을 나타내는 그래프는 도 6a에 도시된 바와 같고, 음탄성계수 K2을 나타내는 그래프는 도 6b에 도시된 바와 같다.
표면응력 추정부(140)는 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율에 기초하여 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정할 수 있다.
표면응력 추정부(140)는 초음파 음속 측정부(130)에 의해 나타낼 수 있는 수학식 2 내지 수학식 4를 연립하고 정리하여 초음파 음속 비율이 반영된 주응력 방향과 측정 방향 사이의 각도에 관하여 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00016
여기서, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ + 90,R는 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속을 의미한다.
즉, 표면응력 추정부(140)는 수학식 7에 표기된 바와 같이 측정된 세 방향에서의 초음파 음속 비율을 통해 측정 방향이 주응력 축으로부터 회전된 각도(θ)를 산출할 수 있다.
최종적으로, 표면응력 추정부(140)는 수학식 7을 수학식 2 내지 수학식 4에 각각 대입하여 산출되는 하기 수학식 8 및 수학식 9에 기초하여 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정할 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00017
[수학식 9]
Figure pat00018
여기서, σ1 및 σ2는 표면응력의 주응력을 의미하고, K1 및 K2는 음탄성계수이고, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ + 90,R는 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속을 의미한다.
이로써, 본 발명의 실시예들에 따르면, 이방성을 가지는 재료에 적용 가능하며, 주응력 방향과 무관하게 임의의 세 방향에서 기준대상인 피검사체와 측정대상인 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율을 이용하여 측정대상의 표면응력을 추정할 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치의 구체적인 동작을 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 본 실시예에서는 세 방향의 초음파 음속 측정 방향이 0도, 45도, 및 90도로 설정되는 경우에 해당하며, 표면응력이 발생되지 않은 피검사체와 표면응력이 발생된 피검사체의 순으로 임의의 세 방향에 대하여 초음파 음속을 측정하고 표면응력을 추정할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치는 초음파 발생장치, 초음파 채널부, 복수의 초음파 송신센서, 복수의 초음파 수신센서, 초음파 가공장치, 초음파 음속 측정부, 표면응력 추정부, 소프트웨어 등을 포함할 수 있으며, 본 발명의 추정 장치는 기본적으로 소프트웨어를 통해서 제어될 수 있다.
표면응력이 발생되지 않은 피검사체에 대하여 임의의 세 방향에서 초음파 음속 측정 및 표면응력 추정을 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 발생장치를 통해 전기신호에 해당하는 전기펄스가 생성되면, 소프트웨어의 제어에 따라 초음파 채널부는 피검사체의 표면에 0도 방향의 초음파 신호를 발생시키기 위해 복수의 초음파 송신센서 및 복수의 초음파 수신센서 중 각각 하나를 선택할 수 있다.
구체적으로, 초음파 송신채널부는 제1 초음파 송신센서를 선택할 수 있고, 초음파 수신채널부는 제1 초음파 수신센서를 선택할 수 있다.
이후에, 선택된 제1 초음파 송신센서는 초음파 발생장치로부터 입력된 전기신호를 초음파 신호로 변환하고, 제1 초음파 수신센서는 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환할 수 있다.
복수의 초음파 수신센서 예컨대, 제1 초음파 수신센서와 연결된 초음파 가공장치는 제1 초음파 수신센서로부터 변환된 전기신호를 전달받아 시간과 진폭으로 가공시키며, 가공된 전기신호에 대한 데이터가 소프트웨어에 저장될 수 있다.
0도 방향의 초음파 신호에 대한 초음파 음속 데이터가 저장되면, 45도 방향의 초음파 신호를 발생시키기 위해 초음파 송신채널부는 제2 초음파 송신센서를 선택할 수 있고, 초음파 수신채널부는 제2 초음파 수신센서를 선택할 수 있으며, 위 과정을 반복할 수 있다.
45도 방향의 초음파 신호에 대한 초음파 음속 데이터가 저장되면, 90도 방향의 초음파 신호를 발생시키기 위해 초음파 송신채널부는 제3 초음파 송신센서를 선택할 수 있고, 초음파 수신채널부는 제3 초음파 수신센서를 선택할 수 있으며, 위 과정을 반복할 수 있다.
각 방향의 초음파 음속 데이터가 저장된 후 선택되는 송수신 센서가 전환되기까지의 시간 지연은 모든 방향에 대하여 동일하다.
표면응력이 발생된 피검사체에 대한 임의의 세 방향에서의 초음파 음속 측정 및 표면응력 추정 과정은 표면응력이 발생되지 않은 피검사체에 대하여 설명된 위 과정과 동일하다.
다만, 표면응력이 발생되지 않은 피검사체에서의 0도 방향과 표면응력이 발생된 피검사체에서의 0도 방향은 일치하는 것이 바람직하다.
표면응력이 발생되지 않은 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속 데이터가 모두 저장되고 나면, 초음파 음속 측정부는 각 방향에서의 초음파 음속을 측정하고 표면응력 추정부는 초음파 음속 비율에 기초하여 표면응력을 추정할 수 있다.
초음파 음속 측정과 표면응력 추정에 대한 설명은 위에서 언급한 바와 동일하다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 초음파 송신채널부 대신에 다채널 초음파 발생장치를 통해 복수의 초음파 송신센서를 선택하여 전기신호를 동시에 발생시킬 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 알루미늄 재료에서의 표면응력 추정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 피검사체에 실제로 발생된 표면응력을 측정하여 획득된 측정값과 본 발명에서 제안한 표면응력 추정 방법에 의해 반복 획득된 추정값들을 비교하였다.
비교 결과, 실제로 획득된 측정값을 기준으로 본 실시예에서 반복 획득된 추정값들의 추정 범위가 크게 벗어나지 않는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서 제안하고 있는 표면응력 추정 방법에 대한 신뢰도가 높다고 할 수 있다.
한편, 본 발명의 추정 장치를 이용하여 표면응력의 추정에 대한 타당성을 수치적으로 검증하기 위해 하기 수학식 10에 기초하여 피검사체의 이방성율을 정의할 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00019
여기서, ηs은 피검사체의 이방성율을 의미하고, VSL은 주압연 방향과 일치하는 방향으로 전파하는 피검사체의 초음파 음속을 의미하고, VSC은 주압연 방향과 수직하는 방향으로 전파하는 피검사체의 초음파 음속을 의미한다.
참고로, KS 규격과 유사하게 주압연 방향을 모르는 경우에는 초음파 웨지를 피검사체의 표면에 눌러 회전시키고 초음파 음속이 가장 크게 나오는 방향을 VSL의 방향으로 정할 수 있다.
약한 이방성 재료에서의 측정 방향 별 초음파 음속에 대한 초음파 음속 데이터를 생성하기 위해 비특허 문헌(Delsanto, P. P., and A. V. Clark Jr. "Rayleigh wave propagation in deformed orthotropic materials." The Journal of the Acoustical Society of America 81.4 (1987): 952-960.)의 73번 수식을 이용하였다.
이 수식에서는 약한 이방성 재료에서 이방성에 의한 초음파 음속의 변화와 음탄성 효과에 의한 초음파 음속의 변화를 개별적으로 처리하여 피검사체에 전파하는 초음파의 방향 별 초음파 음속을 기술하였다.
이 수식을 이용하여, 피검사체와 표면응력이 발생된 피검사체에서의 측정 방향 별 초음파 음속 데이터를 생성하고, 세 방향에서 표면응력이 발생된 피검사체와 피검사체 간의 초음파 음속 비율을 계산한다.
획득한 초음파 음속 비율을 기존의 등방성 이론과 본 발명의 이론에 대입하여 추정한 표면응력의 오차를 계산하고 비교하였다.
도 8a는 종래의 등방성 이론을 이용한 이방성 재료에서의 표면응력 추정오차를 나타낸 그래프이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이방성 재료에서의 표면응력 추정오차를 나타낸 그래프이다.
도 8a를 참조하면, 표면응력이 발생된 피검사체가 매우 작은 이방성을 가지는 경우에도 표면응력 추정오차는 매우 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 도 8b를 참조하면, 표면응력 100MPa 이하, 이방성율 1% 이하에서 추정오차가 0.001% 이하로 오차가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 특히, 표면응력이 변하더라도 추정오차의 변동은 크지 않다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파를 이용한 표면응력 추정 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 1 및 도 9를 참조하면, 단계(S910)에서 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치(100)의 초음파 송신부(110)는 초음파 웨지를 이용하여 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시킬 수 있다.
다음으로, 도 1 및 도 9를 참조하면, 단계(S920)에서 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치(100)의 초음파 수신부(120)는 초음파 웨지를 이용하여 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 수신할 수 있다.
여기서, 초음파 웨지에는 입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환하여 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시키기 위한 복수의 초음파 송신센서 및 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환하여 초음파 신호를 수신하기 위한 복수의 초음파 수신센서가 장착될 수 있다.
참고로, 단계(S910)에서는 입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환하는 복수의 초음파 송신센서 중 하나를 선택할 수 있고, 단계(S920)에서는 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환하는 복수의 초음파 수신센서 중 하나를 선택할 수 있다.
다음으로, 도 1 및 도 9를 참조하면, 단계(S930)에서 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치(100)의 초음파 음속 측정부(130)는 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속을 측정할 수 있다.
다음으로, 도 1 및 도 9를 참조하면, 단계(S940)에서 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치(100)의 표면응력 추정부(140)는 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율에 기초하여 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 초음파 웨지
12 : 제1 웨지면
14 : 제2 웨지면
16 : 제3 웨지면
18 : 홀
19 : 복수의 송(수)신용 센서
20 : 피검사체
110 : 초음파 송신부
120 : 초음파 수신부
130 : 초음파 음속 측정부
140 : 표면응력 추정부

Claims (13)

  1. 초음파 웨지를 이용하여 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시키는 초음파 송신부;
    상기 초음파 웨지를 이용하여 상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부;
    상기 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하는 초음파 음속 측정부; 및
    상기 피검사체 및 상기 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율에 기초하여 상기 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정하는 표면응력 추정부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 웨지에는
    입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 피검사체의 표면에 상기 초음파 신호를 입사시키기 위한 복수의 초음파 송신센서; 및
    상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환하여 상기 초음파 신호를 수신하기 위한 복수의 초음파 수신센서
    가 장착되는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 웨지는
    상기 피검사체에 접촉되며 제1 길이를 가지는 제1 웨지면, 상기 제1 웨지면에 평행하게 형성되며 상기 제1 길이보다 짧은 제2 길이를 가지는 제2 웨지면, 및 상기 제1 웨지면과 상기 제2 웨지면을 연결하며 소정의 경사각을 가지도록 형성된 다수의 제3 웨지면을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다수의 제3 웨지면에는 상기 복수의 초음파 송신센서 및 상기 복수의 초음파 수신센서가 장착되기 위한 홀이 구비되며,
    한 쌍의 초음파 송신센서 및 초음파 수신센서가 장착되는 각각의 홀은 상기 제1 웨지면 및 상기 제2 웨지면을 교차하는 중심축을 기준으로 서로 마주보는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 웨지에 대한 상기 초음파 신호의 입사각도는 스넬의 법칙에 관한 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00020

    여기서, n1은 상기 초음파 웨지의 굴절율, θ1은 상기 초음파 웨지의 입사각도, n2는 상기 피검사체의 굴절율, θ2는 상기 피검사체의 굴절각도를 의미함.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 송신부는 상기 복수의 초음파 송신센서 중 하나를 선택하는 초음파 송신채널부를 포함하고,
    상기 초음파 수신부는 상기 복수의 초음파 수신센서 중 하나를 선택하는 초음파 수신채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 음속 측정부는
    상기 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 45도 간격을 기준으로 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하고, 상기 세 방향에서의 초음파 음속에 관하여 하기 수학식 2 내지 수학식 4과 같이 나타내는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
    [수학식 2]
    Figure pat00021

    [수학식 3]
    Figure pat00022

    [수학식 4]
    Figure pat00023

    여기서, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 상기 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ+90,R는 상기 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, K1 및 K2는 음탄성계수이고, σ1 및 σ2는 표면응력의 주응력을 의미함.
  8. 제7항에 있어서,
    σ1=σ 이고 σ2=0 인 조건하에 상기 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향에 따른 음탄성계수에 관하여 하기 수학식 5 및 수학식 6과 같이 나타내는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
    [수학식 5]
    Figure pat00024

    [수학식 6]
    Figure pat00025

    여기서, K1 및 K2는 음탄성계수이고, V0는 응력상태인 상기 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 일치하는 경우의 초음파 음속이고, V90은 응력상태인 상기 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 수직한 경우의 초음파 음속이고, V0,R는 무응력상태인 상기 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 일치하는 경우의 초음파 음속이고, V90,R은 무응력상태인 상기 피검사체로부터 수신된 초음파 신호의 전파 방향과 주응력 방향이 수직한 경우의 초음파 음속을 의미함.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 표면응력 추정부는
    상기 수학식 2 내지 수학식 4를 연립 및 정리하여 상기 초음파 음속 비율이 반영된 주응력 방향과 측정 방향 사이의 각도에 관하여 하기 수학식 7과 같이 나타내는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
    [수학식 7]
    Figure pat00026

    여기서, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 상기 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ+90,R는 상기 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속을 의미함.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 표면응력 추정부는
    상기 수학식 7을 상기 수학식 2 내지 상기 수학식 4에 각각 대입하여 산출되는 하기 수학식 8 및 수학식 9에 기초하여 상기 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치.
    [수학식 8]
    Figure pat00027

    [수학식 9]
    Figure pat00028

    여기서, σ1 및 σ2는 표면응력의 주응력을 의미하고, K1 및 K2는 음탄성계수이고, Vθ, Vθ +45, Vθ + 90는 상기 표면응력이 발생된 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속이고, Vθ,R Vθ + 45,R Vθ + 90,R는 상기 피검사체에서 주응력 방향으로부터 θ, θ+45, θ+90만큼 회전된 방향에서의 초음파 음속을 의미함.
  11. 초음파 웨지를 이용하여 피검사체의 표면에 초음파 신호를 입사시키는 단계;
    상기 초음파 웨지를 이용하여 상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 단계;
    상기 피검사체 및 표면응력이 발생된 피검사체로부터 수신된 초음파 신호에 대하여 세 방향에서의 초음파 음속을 측정하는 단계; 및
    상기 피검사체 및 상기 표면응력이 발생된 피검사체 간의 초음파 음속 비율에 기초하여 상기 표면응력이 발생된 피검사체의 표면응력을 추정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 초음파 웨지에는
    입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 피검사체의 표면에 상기 초음파 신호를 입사시키기 위한 복수의 초음파 송신센서; 및
    상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환하여 상기 초음파 신호를 수신하기 위한 복수의 초음파 수신센서
    가 장착되는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 초음파 신호를 입사시키는 단계는
    상기 입력되는 전기신호를 초음파 신호로 변환하는 상기 복수의 초음파 송신센서 중 하나를 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 초음파 신호를 수신하는 단계는
    상기 피검사체의 표면에서 반사되는 초음파 신호를 전기신호로 변환하는 상기 복수의 초음파 수신센서 중 하나를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 표면응력 추정 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114113331A (zh) * 2021-12-03 2022-03-01 上海船舶工程质量检测有限公司 一种用于材料纵波声速分布测定的系统及方法

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