KR20210006107A - Damage detection method using lamb wave signal energy - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법에 관한 것으로써, 보다 상세히는 항공기의 손상 탐지에 사용될 수 있는 손상 탐지 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a damage detection method using signal energy of an acoustic wave, and more particularly, to a damage detection method that can be used to detect damage to an aircraft.
운용중인 항공기는 공력, 항력, 중력 및 다양한 하중을 받으며 운항하고, 이러한 하중으로 인해 항공기를 구성하는 각종 구조물들에 손상이 발생할 수 있다. 이러한 항공기의 손상에 대비하기 위해, 항공기의 주기적인 검사에 대한 각종 세부 규정이 있다. G. Anderson의 논문인 "Providing best value IVHM solution for aging aircraft"에 의하면, 항공기의 유지/보수에 소용되는 비용 중 검사와 관련된 비용은 49%를 차지하고, 항공기의 유지/보수에 필요한 인력 역시 35%를 차지하고 있어, 보다 간소화되고, 항공기의 손상 검출 효율을 향상시킬 수 있으며, 유지/보수비용을 절감할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.The aircraft in operation operates under aerodynamic, drag, gravity and various loads, and these loads can cause damage to various structures constituting the aircraft. In order to prepare for such damage to aircraft, there are various detailed regulations for periodic inspection of aircraft. According to G. Anderson's paper "Providing best value IVHM solution for aging aircraft", inspection-related costs account for 49% of the costs used for maintenance/repair of aircraft, and the manpower required for maintenance/repair of aircraft also accounts for 35%. Because it occupies more simplification, it is possible to improve the damage detection efficiency of the aircraft, and there is a need for a method to reduce maintenance / repair costs.
항공기의 주기적인 검사 방법 중 하나로 비파괴검사가 있을 수 있으며, 비파괴검사의 대표적인 예로써 방사선 투과검사(X-ray), 초음파 탐상검사 및 와전류 탐상검사 등이 있다. 최근에는 복합재에 적용할 수 있고, 앞서 일예로 설명한 비파괴 검사 방법들보다 상대적으로 비용과 검사시간이 적고 검사 효율을 높일 수 있는 유도 초음파(탄성파)를 이용한 검사 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.One of the periodic inspection methods of aircraft may be non-destructive testing, and representative examples of non-destructive testing include radiographic testing (X-ray), ultrasonic testing, and eddy current testing. In recent years, research on an inspection method using guided ultrasonic waves (elastic waves) that can be applied to composite materials, which has relatively less cost and inspection time than the non-destructive inspection methods described above, and can increase inspection efficiency, is being conducted.
유도 초음파란 보, 파이프, 평판 등과 같이 경계 면으로 싸여 있는 구조물 매체를 따라서 전파되는 탄성파를 말하는 것으로, 평판에 전달되는 유도 초음파는 탄성파(lamb wave)이다. 탄성파를 이용한 비파괴검사 방법은 아래 수식 1과 같이 sine과 cosine의 조합으로 이루어진 정현파 신호를 입력 신호로 사용하며, 탄성파는 버스트 웨이브(burst wave)의 형태를 가지고 있다.Guided ultrasound refers to an acoustic wave propagating along a structure medium surrounded by an interface such as a beam, pipe, or flat plate, and the guided ultrasound transmitted to the flat plate is an acoustic wave (lamb wave). The nondestructive testing method using seismic waves uses a sinusoidal signal composed of a combination of sine and cosine as an input signal as shown in
[수식 1][Equation 1]
(여기서 A는 탄성파, w는 중심 주파수, n은 버스트 웨이브의 주기)(Where A is the acoustic wave, w is the center frequency, and n is the period of the burst wave)
도 1은 n이 5일 때, 즉 버스트 웨이브의 주기가 5일 때 수식 1로 결정되는 탄성파이다. n값은 측정하고자 하는 대상(예를 들어 복합재)과 측정하고자 하는 손상 유형에 따라 달리 선택될 수 있으며, n값에 따라 도 1에 도시된 탄성파의 형상이 달라진다. 입력신호로서의 탄성파는 피에조 일렉트릭 액추에이터(Piezo-electric actuator)를 통해 생성되어 복합재상에 전파되고, 복합재상에 위치한 피에조 일렉트릭 센서(Piezo-electric sensor)로 수집된다.1 is an elastic wave determined by
도 2는 복합재상에 설치된 액추에이터(10)와 센서(11), 그리고 복합재에 손상된 부분(이하 손상위치(12))을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3a는 복합재에 손상위치(12)가 없을 때, 센서(11)에서 측정되는 신호의 파형을 도시한 것이고, 도 3b는 복합재에 손상위치(12)가 있을 때, 센서(11)에서 측정되는 신호의 파형을 도시한 것이다.FIG. 2 schematically shows the
도 3a에 도시된 바와 같이, 복합재에 손상이 없을 경우, 센서(11)에서는 하나의 신호가 측정되며, 해당 신호인 제1신호(S1)는 도 2의 액추에이터(10)에서 센서(11)로 직접 전달되는 신호이다. 이에 반해, 도 3b에 도시된 바와 같이, 복합재에 손상이 있을 경우, 센서(11)에서는 두 개의 신호가 순차적으로 측정된다. 제1신호(S1)는 상술한 바와 같이 도 2의 액추에이터(10)에서 센서(11)로 직접 전달되는 신호이고, 제1신호(S1)보다 나중에 측정되는 제2신호(S2)는 액추에이터(10)에서 손상위치(12)를 거쳐 센서(11)로 전달되는 신호이다. 제1신호(S1)와 제2신호(S2)가 측정되는 시각이 서로 다른 이유는, 액추에이터(10)에서 입력되는 탄성파의 전달속도는 일정하되, 도 2에 도시된 액추에이터(10)와 센서(11) 사이의 거리와 액추에이터(10), 손상위치(12) 및 센서(11)를 통과하는 거리가 서로 다르기 때문이다. 제2신호(S2)는 손상위치(12)를 통해 센서(11)로 이동하기 때문에, 제1신호(S1)에 비해 진폭이 변화한다.As shown in FIG. 3A, when there is no damage to the composite material, one signal is measured by the
도 3b에 도시된 제1신호(S1)와 제2신호(S2)를 통해 액추에이터(10) 및 센서(11)에서 손상위치(12)를 계산할 수 있다. 보다 구체적으로, 액추에이터(10)와 센서(11) 사이의 거리는 알고 있으므로, 액추에이터(10)에서 탄성파를 입력한 후, 센서(11)에서 제1신호(S1)를 측정할 때까지의 시간을 통해 탄성파의 속도를 구할 수 있고, 탄성파의 속도와 액추에이터(10)에서 탄성파를 입력한 후, 센서(11)에서 제2신호(S2)를 측정할 때까지의 시간을 곱해 액추에이터(10)-손상위치(12)-센서(11) 사이의 거리 d1을 구할 수 있다. 따라서 손상위치(12)가 있을 수 있는 후보위치는 액추에이터(10)와 센서(11)를 정점으로 거리의 합이 d1인 지점인 타원으로 나타낼 수 있으며, 도 2에 도시된 센서(11)와 다른 위치 적어도 두 개 이상의 센서에서 상술한 과정을 반복하여, 적어도 세 개 이상의 타원을 구해 해당 타원들의 교점을 손상위치(12)로 계산할 수 있다.The
한편, 손상 탐지를 위해 사용되는 탄성파는 중심 주파수에 따라 전파 속도가 변하는 멀티 모드 특성 및 복합재상에 전파해 가는 동안 형상이 변화하는 이산 특성을 가진다. 또한, 탄성파가 평판형상의 복합재상에 전파될 경우 탄성파는 평판의 중심을 기준으로 상하의 움직임이 대칭을 이루는 Symmetric Mode(이하 S모드)와 비대칭을 이루는 Anti-Symmetric Mode(이하 A모드)로 이루어진다. 탄성파는 가진되는 중심 주파수에 따라, S모드와 A모드가 여러 형태로 중첩되어 나타날 수 있으며, 이러한 탄성파의 특성으로 인하여 평판형의 복합재에서 획득된 신호는 이산특성으로 인해 분화된 신호의 조합과 반사된 신호의 조합 그리고 S모드와 A모드가 조합된 다양한 신호의 합으로 측정되며, 이에 더해 외부 잡음(White-noise) 성분 또한 함께 측정될 수 있다. 도 4a는 액추에이터(10)에서 입력되는 탄성파를, 도 4b는 상술한 바와 같은 다양한 신호가 혼합되어 센서(11)에서 측정되는 신호의 예를 도시한 것으로, 도 4b에 도시된 바와 같이 센서(11)에서는 다양한 신호가 혼합되어 측정되기 때문에, 측정되는 신호 중 손상위치(12)에 따른 손상신호 또는 손상정보를 추출하는 방법이 중요하다.Meanwhile, the acoustic wave used for damage detection has a multi-mode characteristic in which the propagation speed changes according to the center frequency, and a discrete characteristic in which the shape changes while propagating on the composite material. In addition, when an elastic wave propagates on a flat composite material, the elastic wave is composed of a Symmetric Mode (hereinafter referred to as S mode) in which the vertical movement is symmetrical with respect to the center of the plate, and an Anti-Symmetric Mode (hereinafter referred to as A mode) that is asymmetric. Depending on the center frequency to be excitation, the S-mode and A-mode may be overlapped in various forms. Due to the characteristics of these elastic waves, the signals obtained from the flat-type composite material are combined and reflected by the differentiated signals due to discrete characteristics. It is measured by the combination of the signal and the sum of the various signals in which the S mode and A mode are combined. In addition, the white-noise component can also be measured. FIG. 4A shows an elastic wave input from the
종래 센서(11)에서 측정되는 신호 중 잡음 성분을 줄이기 위해 1979년에 Spectral Subtraction 방법이 음성 신호 처리에서 제안되었으며, 이 방법은 센서(11)에서 측정된 신호 x(t)에서 잡음 성분의 신호 v(t)를 추정하고, 주파수 영역에서 추정된 잡음 신호의 에너지를 제거함으로써 센서(11)에서 측정되는 신호 중, 입력된 탄성파에 의한 신호 s(t)를 추정하는 방법이다. 이와 같은 방법은 잡음의 에너지를 줄여, 잡음의 크기를 감소시키는 방법이며, 이러한 방법은 도 5와 같이 도시할 수 있다.In order to reduce the noise component of the signal measured by the
도 5에 도시된 종래의 방법을 사용하기 위해서는, 잡음 신호 v(t)의 에너지 크기를 추정해야 한다. 그러나 손상 탐지를 위해 측정되는 신호 중 잡음 신호의 크기는 대상물의 형태와 센서의 부착 상태에 따라 달라질 수 있으며, 잡음 신호의 에너지 크기를 추정하는 방법은 현실적으로 한계가 있는 실정이다.In order to use the conventional method shown in Fig. 5, it is necessary to estimate the energy level of the noise signal v(t). However, the size of the noise signal among signals measured for damage detection may vary depending on the shape of the object and the attachment state of the sensor, and the method of estimating the energy level of the noise signal is practically limited.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법의 목적은 종래의 방식보다 정확하게 복합재상의 손상부분의 위치를 예측할 수 있는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법을 제공함에 있다.The present invention was conceived to solve the above problems, and an object of the method for detecting damage using signal energy of an elastic wave according to the present invention is to predict the location of a damaged part on a composite material more accurately than the conventional method. It is to provide a damage detection method using signal energy.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법은 a) 복합재에 설치된 가진부에서 탄성파인 입력신호를 발생시켜 상기 복합재를 따라 전파되게 하고, 복합재에 설치된 센서에서 상기 복합재를 따라 전파되는 신호를 측정하는 단계; b) 상기 센서에서 측정된 측정신호에서 상기 입력신호를 이용해 잡음신호의 크기를 추정한 후, 상기 측정신호에서 상기 잡음신호가 제거된 보정신호를 계산하는 단계; c) 상기 보정신호에 포함된 신호들을 분리하고, 상기 보정신호에 포함된 신호들 중, 상기 가진부에서 상기 센서로 가장 먼저 도착한 제1신호를 판별하는 단계; d) 상기 가진부와 상기 센서의 간격과 상기 제1신호가 도달하기까지의 시간을 이용해 상기 입력신호의 속도를 계산하는 단계; 및 e) 상기 보정신호와 상기 복합재에 손상이 없을 경우의 신호를 이용해 손상 전후 차이 신호를 계산하고, 상기 손상 전후 차이 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the method for detecting damage using signal energy of an elastic wave according to the present invention is a) generating an input signal, which is an elastic wave, from an excitation part installed in a composite material to propagate along the composite material, and a sensor installed in the composite material. Measuring a signal propagating along the composite material at; b) estimating a magnitude of a noise signal using the input signal from the measurement signal measured by the sensor, and then calculating a correction signal from which the noise signal is removed from the measurement signal; c) separating signals included in the correction signal, and determining a first signal that arrives first from the excitation unit to the sensor from among signals included in the correction signal; d) calculating the speed of the input signal using the distance between the excitation unit and the sensor and the time until the first signal arrives; And e) calculating a difference signal before and after damage using the correction signal and a signal when there is no damage to the composite material, and using the time at which the difference signal before and after damage arrives and the speed of the input signal calculated in step d). It characterized in that it comprises; estimating the damage location of the composite material.
또한, 상기 b) 단계는, b-1) 아래 수식 5를 이용해 상기 잡음신호의 크기를 추정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, step b) may include: b-1) estimating the magnitude of the noise
[수식 5][Equation 5]
(는 추정된 상기 잡음신호의 크기, 는 상기 측정신호의 에너지 크기, 는 상기 입력신호의 에너지 크기)( Is the estimated size of the noise signal, Is the energy level of the measurement signal, Is the energy level of the input signal)
또한, 상기 b) 단계는, b-2) 상기 b-1) 단계 이후에 수행되며, 아래 수식 6을 이용해 시간영역에서의 상기 보정신호를 계산하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, step b) is performed after step b-2) and step b-1), and calculating the correction signal in the time domain using Equation 6 below; It characterized in that it further comprises.
[수식 6][Equation 6]
(상기 는 상기 측정신호를 STFT(Short Time Fourier Transform)한 신호, 상기 는 주파수 영역에서의 상기 보정신호, 는 상기 을 inverse STFT한 시간영역에서의 보정신호)(remind Is a signal obtained by short-time fourier transform (STFT) of the measurement signal, Is the correction signal in the frequency domain, Is reminded Correction signal in time domain inverse STFT)
또한, 상기 b) 단계는, b-3) 상기 b-2) 단계 이후에 수행되고, 상기 수식 5의 을 상기 수식 6을 통해 구해진 로 대체하여 상기 보정신호에 포함된 잡음신호의 크기를 추정하고, 상기 보정신호의 크기 대비 상기 보정신호에 포함된 잡음신호의 크기가 기준치 이상일 경우, 상기 수식 6의 을 상기 로 대체하여 잡음신호의 크기가 줄어든 보정신호를 생성하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, step b) is performed after step b-3) b-2), and Obtained through Equation 6 above In the case where the size of the noise signal included in the correction signal is estimated and the size of the noise signal included in the correction signal is greater than or equal to the reference value, Remind Generating a correction signal having a reduced noise signal by replacing it with It characterized in that it further comprises.
또한, 상기 b-3) 단계는 생성된 보정신호 내에 포함된 잡음신호의 크기가 기준치 이하가 될 때 까지 반복 수행되는 것을 특징으로 한다.In addition, the step b-3) is characterized in that it is repeatedly performed until the size of the noise signal included in the generated correction signal becomes less than or equal to a reference value.
또한, 상기 c) 단계는 c-1) 아래 수식 7을 이용해 상기 보정신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호를 분리해, 분리된 신호를 상기 제1신호로 판별하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, step c) may include: c-1) separating a signal having the highest energy among signals included in the correction
[수식 7][Equation 7]
(r(t)은 보정신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호, 는 시간영역에서의 보정신호를 STFT한 신호, 는 입력신호)(r(t) is the signal with the largest energy among the signals included in the correction signal, Is the signal obtained by STFT of the correction signal in the time domain, Is the input signal)
또한, 상기 e) 단계는, 아래 수식 7을 이용해 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 신호 중 하나를 분리하고, 분리된 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.In addition, in step e), one of the signals included in the difference signal before and after damage is separated using
[수식 7][Equation 7]
(r(t)은 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호, 는 시간영역에서의 상기 손상 전후 차이 신호를 STFT한 신호, 는 입력신호)(r(t) is the signal with the largest energy among the signals included in the difference signal before and after damage, Is a signal obtained by STFT of the difference signal before and after damage in the time domain, Is the input signal)
또한, 상기 e) 단계는 반복 수행되어 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 소정 개수의 신호를 분리하고, 상기 e) 단계가 반복 수행될 때, 상기 수식 7에서 상기 신호는 이전에 수행된 e) 단계의 신호에서 이전에 수행된 e) 단계에서 분리된 신호를 뺀 신호인 것을 특징으로 한다.In addition, when step e) is repeatedly performed to separate a predetermined number of signals included in the difference signal before and after damage, and when step e) is repeatedly performed, in
또한, 상기 e) 단계는 반복 수행되어 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 소정 개수의 신호를 분리하여, 손상위치의 영역을 추정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step e) is repeatedly performed to separate a predetermined number of signals included in the difference signal before and after damage to estimate an area of the damage location.
또한, 상기 복합재에 설치된 센서는 복수개인 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized in that a plurality of sensors installed in the composite material.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법에 의하면, b) 단계에서 미리 알 수 있는 입력신호의 에너지 크기를 이용하여 잡음신호의 크기를 추정하여 측정신호에서 보정신호를 제거하기 때문에, 종래 부정확한 측정신호의 크기를 추정하여 측정신호에서 잡음신호를 제거하는 방식보다 정확한 신호를 얻을 수 있어, 복합재의 손상부분의 위치를 보다 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.According to the damage detection method using the signal energy of the acoustic wave according to the present invention as described above, the correction signal is removed from the measurement signal by estimating the magnitude of the noise signal using the energy magnitude of the input signal known in advance in step b). Therefore, it is possible to obtain a more accurate signal than the conventional method of removing the noise signal from the measurement signal by estimating the size of the incorrect measurement signal, there is an effect of more accurately predicting the location of the damaged portion of the composite.
또한, 본 발명에 의하면 수식 7을 이용하여 측정신호에서 제1신호를 분리하므로, 보다 정확하게 제1신호를 분리할 수 있어 복합재의 손상부분의 위치를 보다 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, since the first signal is separated from the measurement signal by using
도 1은 sine과 cosine의 조합으로 이루어지는 탄성파의 파형.
도 2는 복합재상에 설치된 액추에이터, 센서, 손상위치의 개략도.
도 3은 복합재에 손상위치의 유무에 따른 탄성파 신호의 변화의 파형.
도 4는 입력신호 및 탄성파의 특성에 따라 다수개의 신호가 조합되어 측정되는 측정신호의 일예.
도 5는 종래 측정신호에서 잡음신호의 에너지 크기를 추정하여 노이즈를 제거하는 방식의 개략도.
도 6은 복합재에 설치된 가진부와 센서들의 개략도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법의 b) 단계에서 잡음신호의 크기를 추정하는 방법의 개략도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법의 c) 단계에서 제1신호를 분리한 개략도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법에서 사용되는 손상 전후 차이 신호의 파형.
도 10은 손상 전후 차이 신호의 확대 파형 및 분리신호의 파형.1 is a waveform of an acoustic wave composed of a combination of sine and cosine.
Figure 2 is a schematic diagram of an actuator, a sensor, and a damage location installed on a composite material.
3 is a waveform of a change in an elastic wave signal according to the presence or absence of a damage location in the composite material.
4 is an example of a measurement signal that is measured by combining a plurality of signals according to characteristics of an input signal and an acoustic wave.
5 is a schematic diagram of a method of removing noise by estimating the energy level of a noise signal from a conventional measurement signal.
6 is a schematic diagram of the excitation unit and sensors installed in the composite material.
7 is a schematic diagram of a method of estimating the magnitude of a noise signal in step b) of a method for detecting damage using signal energy of an acoustic wave according to an embodiment of the present invention.
8 is a schematic diagram of separating a first signal in step c) of a method for detecting damage using signal energy of an acoustic wave according to an embodiment of the present invention.
9 is a waveform of a difference signal before and after damage used in a damage detection method using signal energy of an acoustic wave according to an embodiment of the present invention.
10 is an enlarged waveform of a difference signal before and after damage and a waveform of a split signal.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a damage detection method using signal energy of an acoustic wave according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법은 순차적으로 수행되는 a) 단계, b) 단계, c) 단계, d) 단계 및 e) 단계를 포함할 수 있다.A method of detecting damage using signal energy of an elastic wave according to an embodiment of the present invention may include steps a), b), c), d) and e) sequentially performed.
먼저, 배경기술에서도 설명했듯 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법은 복합재의 일부분이 손상되었을 때, 손상된 부분의 위치를 파악하기 위해 안출된 것으로, 복합재에 설치된 가진부와 센서를 이용할 수 있다. 복합재에 설치된 가진부는 특정 중심주파수를 가지는 탄성파를 생성하여 복합재를 따라 전파되도록 할 수 있으며, 가진부에 의해 생성된 탄성파는 배경기술에서 설명한 것과 같이 주기가 n인 버스트 웨이브(burst wave) 형태이다.First, as described in the background art, the damage detection method using the signal energy of an elastic wave according to an embodiment of the present invention was devised to determine the location of the damaged part when a part of the composite material is damaged. And sensors are available. The excitation unit installed in the composite material can generate an elastic wave having a specific center frequency to propagate along the composite material, and the elastic wave generated by the excitation unit is in the form of a burst wave having a period of n as described in the background art.
도 6은 복합재(100)에 설치된 가진부(200)와 센서들을 개략적으로 도시한 것이다.6 schematically shows the
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법을 적용하기 위해서는 하나의 복합재(100)에 가진부(200)와 복수개의 센서들이 설치되어 있다. 보다 상세히, 도 6에 도시된 바와 같이 복합재(100)의 표면상에는 제1센서(310), 제2센서(320) 및 제3센서(330)가 설치되어 있는데, 이는 적어도 세 개 이상의 센서에서 신호를 측정해야 손상부분의 정확한 위치를 파악할 수 있기 때문이며, 이에 관해서는 후술한다.As shown in FIG. 6, in order to apply a damage detection method using signal energy of an elastic wave according to an embodiment of the present invention, an
a) 단계는 복합재(100)에 설치된 가진부(200)에서 탄성파인 입력신호를 발생시켜, 상기 입력신호가 복합재(100)를 따라 전파되게 한다. 복합재(100)에서 전파된 입력신호는 도 6에 도시된 바와 같이 각각의 센서들에 집적 전달되거나, 복합재(100)의 손상부분(110)을 거쳐 각각의 센서들에 전달될 수 있으며, 센서는 복합재를 통해 전달되는 신호를 측정할 수 있다.Step a) generates an input signal that is an elastic wave in the
b) 단계는 센서들 각각에서 측정된 측정신호에서 잡음신호가 제거된 보정신호를 계산한다. 보다 구체적으로, 가진부(200)에서 발생한 입력신호는 복합재(100)를 따라 진행하면서 진폭 또는 주파수가 변화할 수 있으며, 외란에 의한 잡음신호(white-noise)가 포함될 수 있다. 입력신호에 잡음신호가 포함될 경우, 정확한 본래 입력신호에 의한 측정신호의 분산(variance)을 증가시키며, 이는 정확한 손상부분(110)의 위치를 파악하지 못하는 요인이 될 수 있으며, 측정신호에서 잡음신호를 제거하는 것이 중요하다.Step b) calculates a correction signal from which the noise signal is removed from the measurement signal measured by each of the sensors. More specifically, the input signal generated by the
본 실시예의 b) 단계는 상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 입력신호를 이용해 잡음신호의 크기를 추정한 후, 잡음신호를 측정신호에서 제거하며, b-1) 단계, b-2) 단계 및 b-3) 단계를 포함할 수 있다.In step b) of this embodiment, in order to solve the technical problem as described above, after estimating the magnitude of the noise signal using the input signal, the noise signal is removed from the measurement signal, and step b-1), b-2) It may include steps and b-3).
센서에서 측정된 측정신호인 은 잡음이 없는 탄성파의 성분 와 잡음성분 의 구성으로 표현할 수 있으며, 이는 아래와 수식 2와 같다.The measurement signal measured by the sensor Is the component of the acoustic wave without noise And noise component It can be expressed as the composition of, which is shown in
[수식 2][Equation 2]
수식 2는 하기 수식 3과 같이 STFT(Short Time Fourier Transform)로 표현 가능하다.
[수식 3][Equation 3]
또한, 상기한 수식은 이산화된 형태의 다음 수식 4로 표현 가능하다.In addition, the above equation can be expressed by the following equation 4 in a discrete form.
[수식 4][Equation 4]
본 실시예에서 신호를 STFT를 할 때 창함수(window function)는 Hann window function을 사용하였다.In this embodiment, the Hann window function was used as the window function when STFT the signal.
b-1) 단계는 아래 수식 5를 이용해, 센서에서 측정된 측정신호에 포함된 잡음신호의 크기를 추정한다. Step b-1) uses
[수식 5][Equation 5]
(는 추정된 상기 잡음신호의 크기, 는 상기 측정신호의 에너지 크기, 는 상기 입력신호의 에너지 크기)( Is the estimated size of the noise signal, Is the energy level of the measurement signal, Is the energy level of the input signal)
상기 수식을 포함하여, 이하 다른 수식에서 대문자는 주파수영역에서의 신호를 말하며, 소문자는 시간영역에서의 신호를 말한다. 즉, 본 실시예는 수식 5 사용하기 위해 센서에서 측정되는 시간영역에서의 측정신호인 을 수식 4를 이용해 STFT해서 주파수 영역에서의 신호인 을 구하고, 가진부(100)에서 버스트 웨이브 형태의 탄성파로 생성되는 입력신호인 을 마찬가지로 STFT하여 을 구한다. 수식 5에서 사용되는 p값과 값은 복합재의 재질에 따라 달리 결정되는 값이다.Including the above formula, in other formulas hereinafter, uppercase letters refer to signals in the frequency domain, and lowercase letters refer to signals in the time domain. That is, this embodiment is a measurement signal in the time domain measured by the sensor to use
이 과정에서 입력신호인 의 길이와 측정신호인 의 길이는 서로 다르므로, 수식 4의 STFT와 수식 5를 이용하여 입력신호와 측정신호 각각의 에너지를 계산하였으며, STFT의 창함수의 크기는 입력신호의 크기와 동일하게 설정하였다. 여기서 STFT의 창함수의 크기를 입력신호의 크기와 동일하게 설정한다는 뜻은, 시간영역에서의 신호의 길이를 동일하게 한다는 의미이다. 상기한 수식 4 및 수식 5를 이용하여 잡음신호의 에너지 크기를 추정하는 과정은 도 7에 개략적으로 도시되어 있다.In this process, the input signal Length and measurement signal Since the lengths of are different, energy of each input signal and measurement signal was calculated using the STFT of Equation 4 and
b-2) 단계는 상기 b-1) 단계 이후에 수행되며, 아래 수식 6을 이용해 시간영역에서의 상기 보정신호를 계산한다.Step b-2) is performed after step b-1), and the correction signal in the time domain is calculated using Equation 6 below.
[수식 6][Equation 6]
(는 주파수 영역에서의 상기 보정신호, 는 상기 을 inverse STFT한 시간영역에서의 보정신호)( Is the correction signal in the frequency domain, Is reminded Correction signal in time domain inverse STFT)
b-3) 단계는 상기한 b-1) 단계 및 b-2) 단계를 통해 구해진 에 포함된 보정신호의 비율이 기준치 이상일 경우, b-1) 단계와 b-2) 단계를 반복 수행하는 단계이다. 즉, b-1) 단계와 b-2) 단계가 한 번 수행되었을 때 계산되는 로 수식 5의 을 대체한 후, 에 포함되는 잡음신호의 크기가 기준치 이상일 경우, b-1) 단계 및 b-2) 단계를 반복 수행할 수 있으며, b-2) 단계가 반복 수행될 때, 수식 6에서 는 로 대체될 수 있다.Step b-3) is obtained through the above steps b-1) and b-2). If the ratio of the correction signal included in is greater than or equal to the reference value, steps b-1) and b-2) are repeatedly performed. That is, when steps b-1) and b-2) are performed once, As of
c) 단계는 상기 보정신호에 포함된 신호들을 분리하고, 상기 보정신호에 포함된 신호들 중, 상기 가진부에서 상기 센서로 가장 먼저 도착한 제1신호를 판별하고, d) 단계는 가진부(100)와 센서들 사이의 간격, 그리고 가진부(100)에서 입력신호가 생성된 후, 보정신호의 제1신호가 도달하기까지의 시간을 이용해 입력신호의 속도를 계산하며, e) 단계는 보정신호와 상기 복합재에 손상이 없을 경우의 신호를 이용해 손상 전후 차이 신호를 계산하고, 상기 손상 전후 차이 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정한다. 상술한 c) 단계와 e) 단계의 개략적인 동작은 종래 배경기술에서 설명한 것과 동일하며, 이하 c) 단계 및 d) 단계에서 신호를 분리하는 과정에 관하여 상세히 설명한다.Step c) separates the signals included in the correction signal, and among the signals included in the correction signal, the first signal that arrives first from the excitation unit to the sensor is determined, and in step d), the excitation unit 100 ) And the distance between the sensors, and the time until the first signal of the correction signal arrives after the input signal is generated by the
c) 단계는 상술한 바와 같은 동작을 위해, c-1) 단계를 포함할 수 있다.Step c) may include step c-1) for the above-described operation.
c-1) 단계는 아래 수식 7을 이용해 상기 보정신호에 포함된 신호 중 신호의 에너지가 입력신호와 가장 유사한 신호를 분리하고, 분리된 신호를 제1신호로 판별한다.In step c-1), among the signals included in the correction signal, a signal whose energy is most similar to an input signal is separated using
[수식 7][Equation 7]
(r(t)은 보정신호에 포함된 신호 중 입력신호와 에너지 크기가 가장 유사한 신호, 는 시간영역에서의 보정신호를 STFT한 신호)(r(t) is the signal that has the most similar energy to the input signal among the signals included in the correction signal, Is the signal obtained by STFT of the correction signal in the time domain)
상술한 수식 7에서 입력신호와 에너지 크기가 가장 유사한 제1신호를 판별하는 이유는, 가진부(100)에서 센서로 가장 먼저 도달한 제1신호의 경우, 다른 경로(가진부-센서-센서 또는 가진부-손상부분-센서)로 도달한 신호들보다 진폭의 감쇠가 가장 적게 일어나기 때문이다. r(t)은 R을 인버스 STFT한 시간영역에서의 신호로, 수식 7에서는 Inverse FFT라고 기재되어 있지만, 이는 인버스 STFT와 같은 의미이며, 수식 7에서 사용되는 p값과 값은 복합재의 재질에 따라 달리 결정되는 값이다.The reason for determining the first signal having the most similar energy level with the input signal in
도 8은 가진부(100)에서 생성한 입력신호와, 센서에서 측정한 측정신호를 개략적으로 도시하고, 측정신호에서 제1신호를 분리한 것을 도시한 것이다.FIG. 8 schematically shows the input signal generated by the
도 8에 도시된 바와 같이, 센서에서 측정된 측정신호에는 가진부(100)에서 입력신호를 생성한 시점에 입력신호와 동일한 파형의 신호가 포함되어 있다. 이는 전자기 간섭 현상(EMI, Electro Magnetic Interference)로 발생한 잡음성분으로, c-1) 단계는 상기한 수식 7을 적용하기 이전에, 보정신호에서 입력신호를 뺀 신호를 로 하여 수식 7을 적용할 수 있다.As shown in FIG. 8, the measurement signal measured by the sensor includes a signal having the same waveform as the input signal at the time when the
도 8에 도시된 바와 같이, 가진부(100)에서 입력신호가 가진된 이후 제1신호(S1)는 소정 시간이 지난 후, 가장 먼저 센서에서 측정되며, d) 단계는 제1신호(S1)가 측정되기까지의 시간과, 미리 알고 있는 가진부(100)와 특정 센서간의 거리를 통해, 입력신호가 전달되는 속도를 계산한다.As shown in FIG. 8, after the
도 9는 손상부분의 유무만 다르고, 다른 조건이 동일한 센서에서 측정된 각각의 신호와 신호의 차이를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 9a는 복합재에 손상부분이 없을 때, 센서에서 측정된 측정신호이고, 도 9b는 복합재에 손상부분이 있을 때 동일한 센서에서 측정된 신호이며, 도 9c는 도 9a와 도 9b에 도시된 신호의 차, 즉 손상 전후 차이 신호를 도시한 것이다.9 shows the difference between each signal and the signal measured by the sensor having different conditions different from only the presence or absence of a damaged part. More specifically, FIG. 9A is a measurement signal measured by the sensor when there is no damaged part in the composite material, FIG. 9B is a signal measured by the same sensor when there is a damaged part in the composite material, and FIG. 9C is shown in FIGS. 9A and 9B. It shows the difference of the illustrated signal, that is, the difference signal before and after damage.
도 9c에 도시된 신호는 복합재에 손상된 부분이 있음으로써 변형된 신호이므로, 입력신호가 가진부(100)와 손상부분을 통해 센서로 이동한 신호임을 알 수 있으므로, 도 9c에 도시된 신호가 도달한 시간을 이용해 가진부(100)-손상부분-센서의 거리를 알 수 있다.Since the signal shown in FIG. 9c is a signal that has been transformed by the presence of a damaged part in the composite material, it can be seen that the input signal is a signal that has moved to the sensor through the
도 10은 도 9c에 도시된 손상 전후 차이 신호를 확대 도시한 후, 손상 전후 차이 신호를 다수개의 신호로 분리한 것이다.10 is an enlarged view of the difference signal before and after damage shown in FIG. 9C, and then the difference signal before and after damage is divided into a plurality of signals.
도 10에 도시된 바와 같이, 손상 전후 차이 신호는 다수개의 신호가 조합된 형태의 신호인데, 이는 손상부분(110)이 점이 아니라, 일정 영역에 걸쳐서 형성되기 때문이다. 따라서, 도 10에서 분리된 다수개의 신호 각각이 도달한 시간과 d) 단계에서 구한 입력신호의 속도를 이용하면, 도 10에 도시된 바와 같이 가진부(100)-손상부분(110)의 주변 중 일부위치-센서간의 거리를 구할 수 있고, 가진부(100)와 센서를 중심으로 하는 타원을 그려 손상부분(110)의 영역을 추정할 수 있다.As shown in FIG. 10, the difference signal before and after damage is a signal in the form of a combination of a plurality of signals, because the
e) 단계에서 가진부와 다수개의 센서를 이용하여 손상부분의 위치를 추정하는 방식은 가진부-제1센서, 가진부-제2센서, 가진부-제3센서 각각에서 추정된 가진부-손상부분-센서의 거리를 이용해, 가진부와 센서를 중심으로하는 타원을 그리고, 세 개의 타원이 겹쳐지는 부분을 손상부분으로 추정하는 방식으로, 배경기술에서 설명한 종래의 방식과 동일하다.The method of estimating the location of the damaged part using the excitation part and multiple sensors in step e) is the excitation part-damage estimated by each of the excitation part-first sensor, the excitation part-second sensor, and the excitation part-third sensor. By using the distance of the part-sensor, an ellipse centered on the excitation part and the sensor is drawn, and a part where the three ellipses overlap is estimated as a damaged part, which is the same as the conventional method described in the background art.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.The technical idea should not be interpreted as limited to the above-described embodiments of the present invention. As well as a variety of application ranges, various modifications may be made at the level of those skilled in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Therefore, these improvements and changes will fall within the scope of protection of the present invention as long as it is apparent to those skilled in the art.
S1 : 제1신호
S2 : 제2신호
10 : 액추에이터
11 : 센서
12 : 손상위치
100 : 복합재
110 : 손상부분
200 : 가진부
310 : 제1센서
320 : 제2센서
330 : 제3센서S1: first signal
S2: second signal
10: actuator
11: sensor
12: Damage location
100: composite
110: damaged part
200: excitation part
310: first sensor
320: second sensor
330: third sensor
Claims (10)
b) 상기 센서에서 측정된 측정신호에서 상기 입력신호를 이용해 잡음신호의 크기를 추정한 후, 상기 측정신호에서 상기 잡음신호가 제거된 보정신호를 계산하는 단계;
c) 상기 보정신호에 포함된 신호들을 분리하고, 상기 보정신호에 포함된 신호들 중, 상기 가진부에서 상기 센서로 가장 먼저 도착한 제1신호를 판별하는 단계;
d) 상기 가진부와 상기 센서의 간격과 상기 제1신호가 도달하기까지의 시간을 이용해 상기 입력신호의 속도를 계산하는 단계; 및
e) 상기 보정신호와 상기 복합재에 손상이 없을 경우의 신호를 이용해 손상 전후 차이 신호를 계산하고, 상기 손상 전후 차이 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
a) generating an input signal that is an elastic wave from an excitation part installed in the composite material to propagate along the composite material, and measuring a signal propagating along the composite material by a sensor installed in the composite material;
b) estimating a magnitude of a noise signal using the input signal from the measurement signal measured by the sensor, and then calculating a correction signal from which the noise signal is removed from the measurement signal;
c) separating signals included in the correction signal, and determining a first signal that arrives first from the excitation unit to the sensor from among signals included in the correction signal;
d) calculating the speed of the input signal using the distance between the excitation unit and the sensor and the time until the first signal arrives; And
e) The difference signal before and after damage is calculated using the correction signal and the signal when the composite material is not damaged, and the difference signal before and after damage arrives and the speed of the input signal calculated in step d) Estimating the damage location of the composite material;
Damage detection method using the signal energy of the acoustic wave comprising a.
상기 b) 단계는,
b-1) 아래 수식 5를 이용해 상기 잡음신호의 크기를 추정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
[수식 5]
(는 추정된 상기 잡음신호의 크기, 는 상기 측정신호의 에너지 크기, 는 상기 입력신호의 에너지 크기)
The method of claim 1,
Step b),
b-1) estimating the magnitude of the noise signal using Equation 5 below;
Damage detection method using the signal energy of the acoustic wave comprising a.
[Equation 5]
( Is the estimated size of the noise signal, Is the energy level of the measurement signal, Is the energy level of the input signal)
상기 b) 단계는,
b-2) 상기 b-1) 단계 이후에 수행되며, 아래 수식 6을 이용해 시간영역에서의 상기 보정신호를 계산하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
[수식 6]
(상기 는 상기 측정신호를 STFT(Short Time Fourier Transform)한 신호, 상기 는 주파수 영역에서의 상기 보정신호, 는 상기 을 inverse STFT한 시간영역에서의 보정신호)
The method of claim 2,
Step b),
b-2) performing the step b-1) and calculating the correction signal in the time domain using Equation 6 below;
Damage detection method using the signal energy of the acoustic wave, characterized in that it further comprises.
[Equation 6]
(remind Is a signal obtained by short-time fourier transform (STFT) of the measurement signal, Is the correction signal in the frequency domain, Is reminded Correction signal in time domain inverse STFT)
상기 b) 단계는,
b-3) 상기 b-2) 단계 이후에 수행되고, 상기 수식 5의 을 상기 수식 6을 통해 구해진 로 대체하여 상기 보정신호에 포함된 잡음신호의 크기를 추정하고, 상기 보정신호의 크기 대비 상기 보정신호에 포함된 잡음신호의 크기가 기준치 이상일 경우, 상기 수식 6의 을 상기 로 대체하여 잡음신호의 크기가 줄어든 보정신호를 생성하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
The method of claim 3,
Step b),
b-3) is performed after step b-2), and in Equation 5 Obtained through Equation 6 above In the case where the size of the noise signal included in the correction signal is estimated and the size of the noise signal included in the correction signal is greater than or equal to the reference value, Remind Generating a correction signal having a reduced noise signal by replacing it with
Damage detection method using the signal energy of the acoustic wave, characterized in that it further comprises.
상기 b-3) 단계는 생성된 보정신호 내에 포함된 잡음신호의 크기가 기준치 이하가 될 때 까지 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
The method of claim 4,
Step b-3) is a damage detection method using signal energy of an acoustic wave, characterized in that it is repeatedly performed until the magnitude of the noise signal included in the generated correction signal becomes less than a reference value.
상기 c) 단계는
c-1) 아래 수식 7을 이용해 상기 보정신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호를 분리해, 분리된 신호를 상기 제1신호로 판별하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
[수식 7]
(r(t)은 보정신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호, 는 시간영역에서의 보정신호를 STFT한 신호, 는 입력신호)
The method of claim 1,
Step c)
c-1) separating a signal having the largest energy among signals included in the correction signal using Equation 7 below, and determining the separated signal as the first signal;
Damage detection method using the signal energy of the acoustic wave comprising a.
[Equation 7]
(r(t) is the signal with the largest energy among the signals included in the correction signal, Is the signal obtained by STFT of the correction signal in the time domain, Is the input signal)
상기 e) 단계는, 아래 수식 7을 이용해 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 신호 중 하나를 분리하고, 분리된 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
[수식 7]
(r(t)은 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호, 는 시간영역에서의 상기 손상 전후 차이 신호를 STFT한 신호, 는 입력신호)
The method of claim 1,
In the step e), one of the signals included in the difference signal before and after the damage is separated using Equation 7 below, and the composite material is performed using the time the separated signal arrives and the speed of the input signal calculated in step d). Damage detection method using the signal energy of the acoustic wave, characterized in that estimating the damage location of.
[Equation 7]
(r(t) is the signal with the largest energy among the signals included in the difference signal before and after damage, Is a signal obtained by STFT of the difference signal before and after damage in the time domain, Is the input signal)
상기 e) 단계는 반복 수행되어 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 소정 개수의 신호를 분리하고,
상기 e) 단계가 반복 수행될 때, 상기 수식 7에서 상기 신호는 이전에 수행된 e) 단계의 신호에서 이전에 수행된 e) 단계에서 분리된 신호를 뺀 신호인 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
The method of claim 7,
Step e) is repeatedly performed to separate a predetermined number of signals included in the difference signal before and after damage,
When step e) is repeatedly performed, in Equation 7 The signal was previously performed in step e). A damage detection method using signal energy of an acoustic wave, characterized in that the signal is a signal obtained by subtracting the signal separated in step e) previously performed from the signal.
상기 e) 단계는 반복 수행되어 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 소정 개수의 신호를 분리하여, 손상위치의 영역을 추정하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
The method of claim 8,
The step e) is repeatedly performed to separate a predetermined number of signals included in the difference signal before and after the damage, and estimate the area of the damage location.
상기 복합재에 설치된 센서는 복수개인 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.The method of claim 1,
Damage detection method using signal energy of an acoustic wave, characterized in that a plurality of sensors installed in the composite material.
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