KR20220026954A - Apparatus and method for nonlinear ultrasonic inspection using phased array - Google Patents

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Abstract

A nonlinear ultrasound inspection apparatus comprises: a transducer including one receiving vibrator located in a central region and transmitting vibrators located on the left and right sides of the receiving vibrator, respectively; a controller for controlling a time-delayed ultrasonic signal for the same to be transmitted to each of the transmitting vibrators based on the locations of the transmitting vibrators; and a diagnostic device for quantifying fundamental and secondary harmonic components received from the receiving vibrator in response to the ultrasonic signal applied by the transmitting vibrator to one surface of an object to be tested to diagnose micro-deterioration of the object to be tested, wherein the secondary harmonic component represents only the secondary harmonic component generated by the fundamental component reflected from the bottom surface of the object to be tested. One embodiment of the present invention is to provide a technique for inspecting micro-deterioration of an object to be tested based on a signal reflected by passing an ultrasonic wave of a fundamental frequency through the object to be tested by applying a time delay to a phased array probe.

Description

위상배열 기법을 이용한 비선형 초음파 검사 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR NONLINEAR ULTRASONIC INSPECTION USING PHASED ARRAY}Nonlinear ultrasound inspection apparatus and method using phased array technique

위상배열 기법을 이용한 비선형 초음파 검사 기술이 제공된다. A nonlinear ultrasound examination technique using a phased array technique is provided.

초음파 비파괴 검사 방법은 일반적으로 선형 초음파 특성을 이용하여 재료와 결함간의 음향 임피던스 차이에 의한 반사, 회절, 굴절 등을 이용하여 검사한다. 하지만, 이러한 선형 초음파 특성을 이용한 결함 탐지 기술은 탐지 한계상 작은 결함이나 미세 열화 현상을 진단하기는 어렵다. 이에 따라 재료의 미시 현상에 해당하는 균열, 계면, 미세 열화를 측정하기 위해 초음파의 비선형 특성을 이용하는 기술이 개발되어 이용되고 있다. Ultrasonic non-destructive testing methods generally test by using reflection, diffraction, refraction, etc. due to the difference in acoustic impedance between materials and defects using linear ultrasonic characteristics. However, it is difficult to diagnose a small defect or a micro-deterioration phenomenon due to the detection limit of the defect detection technology using such a linear ultrasonic characteristic. Accordingly, in order to measure cracks, interfaces, and micro-deterioration corresponding to microscopic phenomena of materials, a technology using the non-linear characteristics of ultrasonic waves has been developed and used.

이에 일반적인 비선형 기법은 재료를 전파하는 기본파 성분이 재료 내의 비선형 탄성 특성에 의해 왜곡되고 고조파 성분이 발생하는 성질을 이용하는 방법이다. 상세하게는 검사체를 전파하며 발생한 고조파 성분을 민감하게 측정할 수 있도록 2개의 탐촉자를 사용하는 투과법을 이용하여 측정한다. Accordingly, a general nonlinear technique is a method using a property that a fundamental wave component propagating a material is distorted by a nonlinear elastic property in the material and a harmonic component is generated. In detail, it is measured using the transmission method using two probes so that the harmonic components generated while propagating the test object can be measured sensitively.

하지만, 검사체의 양쪽 면에 접근이 불가능한 경우에는 검사 자체가 어렵다. 이에 1개의 탐촉자를 이용하여 검사체의 한쪽 면에서 비선형 파라미터를 측정하고자 하였지만, 검사체의 저변에서 반사되어 돌아오면서 생성되는 고조파 성분이 초기 전파하면서 생성된 고조파 성분과 위상이 반대가 된다. 이에 따라 수신되는 고조파 성분은 0에 가깝게 때문에 재료의 비선형 특성을 정밀하게 검사하기 어려움이 있다. However, if access to both sides of the object is not possible, the examination itself is difficult. To this end, it was attempted to measure the nonlinear parameter from one side of the test object using one probe, but the harmonic component generated as it is reflected from the base of the test object and returned is out of phase with the harmonic component generated during initial propagation. Accordingly, since the received harmonic component is close to zero, it is difficult to precisely examine the nonlinear characteristics of the material.

그러므로 검사체의 한쪽 면에서 기본 주파수의 초음파가 검사체를 투과 전파하는 과정에서 생성되는 고조파 성분의 진폭 크기를 정밀하게 측정하여 검사체의 건전성 또는 미세 열화를 검사할 수 있는 방법이 요구된다. Therefore, there is a need for a method capable of inspecting the integrity or micro-deterioration of an object by precisely measuring the amplitude of harmonic components generated in the process of transmitting and propagating ultrasonic waves of a fundamental frequency from one side of the object.

관련 선행문헌으로 한국등록특허 제2116051 호는 " 배열형 초음파 센서를 이용한 펄스 에코형 비선형 검사 장치"를 개시한다. As a related prior document, Korean Patent Registration No. 2116051 discloses "a pulse echo type nonlinear inspection apparatus using an array type ultrasonic sensor".

한국등록특허 제2116051 호Korean Patent No. 2116051

본 발명의 한 실시예는 위상 배열 탐촉자에 시간지연을 적용하여 기본 주파수의 초음파가 검사 대상을 투과하여 반사되는 신호에 기초하여 검사체의 미세 열화를 검사하는 기술을 제공하는 것이다. One embodiment of the present invention is to provide a technique for examining micro-deterioration of a test object based on a signal reflected by transmitting ultrasonic waves of a fundamental frequency by applying a time delay to a phased array probe.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.In addition to the above problems, the embodiment according to the present invention may be used to achieve other problems not specifically mentioned.

본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치는 중심 영역에 위치하는 하나의 수신 진동자와 수신 진동자의 좌측과 우측에 각각 위치하는 송신 진동자들을 포함하는 탐촉자, 송신 진동자들의 위치에 기초하여 송신 진동자들 각각에 대하여 시간 지연된 초음파 신호를 전송하도록 제어하는 제어기, 그리고 송신 진동자들이 검사체의 일면에 인가한 초음파 신호에 대응하여 수신 진동자로부터 수신한 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 정량화하여 검사체의 미세열화를 진단하는 진단기를 포함하고, 2차 고조파 성분은 상기 검사체의 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분만을 나타낸다A nonlinear ultrasound inspection apparatus according to an embodiment of the present invention provides a transducer including one receiving vibrator positioned in a central region and transmitting vibrators positioned on the left and right sides of the receiving vibrator, respectively, based on the positions of the transmitting vibrators. A controller that controls to transmit time-delayed ultrasonic signals for each, and quantifies the fundamental and second harmonic components received from the receiving vibrator in response to the ultrasonic signal applied by the transmitting vibrator to one surface of the test object a diagnostic device for diagnosing deterioration, wherein the second harmonic component represents only the second harmonic component generated by the fundamental wave component reflected from the bottom surface of the test object

본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 방법은 비선형 초음파 검사 장치에서, 검사체의 일면에 하나의 수신 진동자와 송신 진동자들이 미리 정해진 간격으로 배열된 탐촉자를 배치하는 단계, 미리 설정된 순서에 기초하여 송신 진동자들이 순차적으로 검사체의 저면을 향해 초음파 신호를 인가하는 단계, 인가된 초음파 신호가 검사체의 저면에서 집속되고, 검사체의 저면에서 반사되어 돌아오는 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 수신 진동자로부터 수신하는 단계, 그리고 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 비선형 파라미터로 정량화하는 단계를 포함하고, 2차 고조파 성분은 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분만을 나타낸다. A nonlinear ultrasound inspection method according to an embodiment of the present invention includes, in a nonlinear ultrasound inspection apparatus, arranging a transducer in which one receiving vibrator and one transmitting vibrator are arranged at a predetermined interval on one surface of a test object, based on a preset order Transmitting vibrators sequentially apply an ultrasonic signal toward the bottom of the test object. The applied ultrasonic signal is focused on the bottom of the test object, and the fundamental and second harmonic components that are reflected from the bottom of the test object are received. Receiving from the vibrator, and quantifying the fundamental and second harmonic components as nonlinear parameters, wherein the second harmonic component represents only the second harmonic component generated by the fundamental component reflected from the bottom surface.

본 발명의 한 실시예에 따르면 검사체 한쪽면에서 검사체 재료의 비선형 탄성 특성을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있으며 이를 통해 재료의 미세 열화를 정밀하게 검사할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to quantitatively and precisely measure the nonlinear elastic properties of the material of the test object from one side of the test object, and through this, it is possible to precisely inspect the micro-deterioration of the material.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따르면 1개의 탐촉자를 이용하여 한쪽 면에서 검사를 수행함으로써, 다양한 구조의 검사체에 대해 현장 적용성이 향상되어 다양한 부품들의 품질 관리와 원전 시설등의 산업 구조물의 안전성을 관리함에 있어 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, by performing an inspection on one side using a single transducer, field applicability is improved for inspection bodies of various structures, so that quality control of various parts and industrial structures such as nuclear power plant facilities The cost and time required for safety management can be reduced.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치를 포함하는 검사 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치의 탐촉자를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 시간 지연을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 위상 배열 신호를 나타내는 그래프이다.
도 5a와 5b는 본 발명의 한 실시예에 따른 저면 반사 신호와 저면 반 사후 수신 신호를 나타내는 그래프이다.
1 is an exemplary view illustrating an inspection system including a nonlinear ultrasound inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary diagram illustrating a probe of a nonlinear ultrasound examination apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary diagram for explaining a time delay according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph illustrating a phased array signal according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are graphs illustrating a bottom reflection signal and a bottom reflection post-reception signal according to an embodiment of the present invention.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. With reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In addition, in the case of a well-known known technology, a detailed description thereof will be omitted.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.

명세서 전체에서, 검사체의 일면은 탐촉자가 배치되어 초음파 신호를 인가하는 면이고, 저면은 일면의 반대면을 의미한다. Throughout the specification, one surface of the test object is a surface on which a transducer is disposed to apply an ultrasonic signal, and the bottom surface refers to the opposite surface of the one surface.

명세서 전체에서, 초음파 신호는 단일 주파수를 가지는 초음파 신호이고, 기본파 성분은 기본 주파수 성분의 초음파 신호를 나타내며, 고조파 성분은 고조파 성분의 초음파 신호를 나타낸다. Throughout the specification, an ultrasound signal is an ultrasound signal having a single frequency, a fundamental component indicates an ultrasound signal of a fundamental frequency component, and a harmonic component indicates an ultrasound signal of a harmonic component.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치를 포함하는 검사 시스템을 나타낸 예시도이다. 1 is an exemplary diagram illustrating an inspection system including a nonlinear ultrasound inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 검사 시스템은 검사체(10)에 초음파를 인가하는 탐촉자(100), 탐촉자(100)의 초음파 전송을 제어하는 제어기(200), 그리고 탐촉자(100)로부터 수신된 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 분리하여 정량화하는 진단기(300)를 포함한다. As shown in FIG. 1 , the inspection system includes a transducer 100 for applying ultrasound to the inspection object 10 , a controller 200 for controlling ultrasound transmission of the transducer 100 , and a basic received from the transducer 100 . and a diagnostic device 300 that separates and quantifies the wave component and the second harmonic component.

탐촉자(100)는 검사체의 계측 내지 탐사의 목적으로 사용되는 침상의 소도구 내지 장치를 나타내며, 진공관 전압계(VTVM)나 오실로스코프 등 입력 단자에 접속해서 피측정점에 접촉시키기 위해 사용될 수 있다. The probe 100 represents a needle-like small tool or device used for the purpose of measuring or exploring a test object, and may be used to connect to an input terminal such as a vacuum tube voltmeter (VTVM) or an oscilloscope to contact a point to be measured.

그리고 탐촉자(100)는 검사체의 검사 영역을 변경하기 위해 모터를 장착한 이동체 상에 탑재될 수 있다. 이동체는 별도로 연동되는 단말에 의해 유선 또는 무선으로 원격조정이 가능하여 이동체에 의한 이동으로 탐촉자(100)의 위치를 변경할 수 있다.In addition, the transducer 100 may be mounted on a moving body equipped with a motor in order to change the inspection area of the inspection object. The moving body can be remotely controlled by wire or wirelessly by a separately interlocked terminal, so that the position of the probe 100 can be changed by movement by the moving body.

탐촉자(100)는 제어기(200)의 초음파 인가 신호에 의해 초음파를 검사체(10)로 인가하고 인가된 초음파가 검사체(10)를 투과하여 반사되는 신호를 수신한다.The transducer 100 applies an ultrasonic wave to the test object 10 by the ultrasonic wave application signal of the controller 200 and receives a signal reflected by the applied ultrasonic wave passing through the test object 10 .

이때, 탐촉자(100)에는 복수개의 진동자가 미리 정해진 간격으로 배열되어 있으며, 제어기(200)는 탐촉자(100)의 진동자들에 대해서 미리 설정된 순서에 따라 초음파 인가 신호를 전송한다. At this time, a plurality of vibrators are arranged at a predetermined interval in the transducer 100 , and the controller 200 transmits an ultrasound application signal to the vibrators of the transducer 100 in a preset order.

이에 진동자들은 초음파 인가 신호에 따라 순차적으로 초음파를 인가하게 되고, 인가된 초음파는 저면에서 집속되어 반사된다. Accordingly, the vibrators sequentially apply ultrasonic waves according to the ultrasonic wave application signal, and the applied ultrasonic waves are focused and reflected from the bottom surface.

이에 탐촉자(100)는 반사된 신호를 감지하여 진단기(300)로 전달하면, 진단기(300)에서는 수신한 초음파를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리한다.Accordingly, when the transducer 100 senses the reflected signal and transmits it to the diagnostic device 300 , the diagnostic device 300 separates the received ultrasound into a fundamental frequency component and a harmonic component.

이때, 진단기(300)는 수신 진동자로부터 수신한 신호를 전압으로 변환하여 표시하는 오실로스코프(oscilloscope)와 연동하여 시간에 따른 입력 전압의 변화를 수집할 수 있다. In this case, the diagnostic device 300 may collect changes in the input voltage according to time in conjunction with an oscilloscope that converts the signal received from the receiving vibrator into a voltage and displays it.

진단기(300)는 진동자로부터 수신한 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 정량화하여 검사체의 미세열화를 진단한다. The diagnostic device 300 quantifies the fundamental wave component and the second harmonic component received from the vibrator to diagnose micro-deterioration of the test object.

진단기(300)는 2차 고조파 성분을 비선형 파라미터로 정량화하고, 검사체의 초기 비선형 파라미터나 이전 시점에서 측정된 비선형 파라미터와 비교하여 변화 정도를 확인할 수 있다. The diagnostic device 300 may quantify the second harmonic component as a nonlinear parameter and confirm the degree of change by comparing it with an initial nonlinear parameter of the test object or a nonlinear parameter measured at a previous time point.

그리고 진단기(300)는 확인된 변화 정도에 기초하여 미세열화를 진단할 수 있다. In addition, the diagnostic device 300 may diagnose the micro-deterioration based on the confirmed degree of change.

상세하게는 진단기(300)는 수신한 초음파를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리한다. 그리고 진단기(300)는 분리된 기본 주파수 성분의 진폭과 고조파 성분의 진폭을 구하여 다음 수학식 1을 통해 비선형 파라미터(β)를 정량화시킬 수 있다. In detail, the diagnostic device 300 separates the received ultrasound into a fundamental frequency component and a harmonic component. In addition, the diagnostic device 300 may obtain the amplitude of the separated fundamental frequency component and the amplitude of the harmonic component and quantify the nonlinear parameter β through Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, A1는 기본 주파수 성분을 가진 초음파의 진폭 크기, A2는 2차 고조파 성분의 초음파의 진폭 크기, k는 파수(wave number), x는 전파 거리를 나타낸다. Here, A 1 is the amplitude of the ultrasonic wave having a fundamental frequency component, A 2 is the amplitude of the ultrasonic wave having the second harmonic component, k is a wave number, and x is the propagation distance.

이처럼 진단기(300)는 비선형 파라미터를 산출하면, 검사체, 검사 시간, 검사 장소 등과 함께 별도의 데이터베이스에 저장할 수 있다. As such, when the diagnostic device 300 calculates the nonlinear parameter, it may be stored in a separate database together with the test object, the test time, the test location, and the like.

그리고 진단기(300)는 비선형 파라미터의 값이 다르게 산출되는 지점에 대응하여 검사체의 손상 지점 또는 열화 지점을 판단할 수 있다. In addition, the diagnostic device 300 may determine a point of damage or a point of deterioration of the test object in response to a point at which the value of the nonlinear parameter is calculated differently.

이하에서는 도 2 및 도 3을 이용하여 탐촉자의 진동자들의 배열 구성과 시간 지연을 적용하여 초음파를 인가하는 구성에 대해서 상세하게 설명한다. Hereinafter, the arrangement of the transducer vibrators and the configuration of applying the ultrasonic wave by applying a time delay will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3 .

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치의 탐촉자를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 시간 지연을 설명하기 위한 예시도이다. 2 is an exemplary diagram illustrating a probe of a nonlinear ultrasound examination apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an exemplary diagram for explaining a time delay according to an embodiment of the present invention.

탐촉자(100)는 미리 정해진 간격으로 배열되어 있는 다수개의 송신 진동자와 수신 진동자를 포함한다. The transducer 100 includes a plurality of transmitting vibrator and receiving vibrator are arranged at predetermined intervals.

탐촉자(100)의 중앙 영역에서는 수신 진동자(2s, 110)가 위치하고, 수신 진동자(110)를 기준으로 동일한 개수의 송신 진동자(s, 120)들이 좌우에 위치한다. In the central region of the transducer 100, the receiving vibrator (2s, 110) is located, based on the receiving vibrator 110, the same number of the transmitting vibrator (s, 120) is located on the left and right.

이때, 송신 진동자(120)는 일정한 크기(s)로 형성되면, 수신 진동자(110)는 송신 진동자(120)보다 더 큰 크기(2s)로 형성된다. 이는 초음파가 집속되는 지점(focal spot, A)이 수신 진동자(110)의 중간에 형성되지 않고, 반사되어 돌아오는 신호의 수신진폭이 일정 크기 이상을 가지도록 형성된다. At this time, when the transmitting vibrator 120 is formed with a predetermined size (s), the receiving vibrator 110 is formed with a larger size (2s) than the transmitting vibrator 120 . This is formed so that the focal spot (A) on which the ultrasonic waves are focused is not formed in the middle of the receiving vibrator 110 , and the receiving amplitude of the reflected and returned signal has a certain size or more.

예를 들어 약 2배의 크기의 차이를 가질 수 있지만 이는 하나의 예시로 추후에 관리자에 의해 수신 진동자(110)의 크기를 변경할 수 있다. For example, the size of the receiving vibrator 110 may be changed by an administrator later as an example, although there may be a difference of about two times in size.

기본 주파수를 가지는 탐촉자(100)의 송신 진동자들의 위치에서 시간 지연을 적용하여 초음파 신호를 인가함으로써 초음파 신호가 검사체의 저면(A)에 집속되고 집속된 초음파 신호가 다시 반사된다. By applying an ultrasonic signal by applying a time delay at the positions of the transmitting vibrators of the transducer 100 having a fundamental frequency, the ultrasonic signal is focused on the bottom surface A of the test object, and the focused ultrasonic signal is reflected again.

이때, 일면에서 저면으로 전파하는 과정에서 생성되는 고조파 성분을 상쇄시키기 위해 시간 지연을 약 π/4만큼 적용한다. At this time, a time delay of about π/4 is applied to offset harmonic components generated in the process of propagating from one surface to the bottom.

다시 말해, 탐촉자(100)의 좌측에 위치하는 송신 진동자들(210-1)과 우측에 위치하는 송신 진동자들(210-2)을 번갈아 가며 시간 지연을 적용한 초음파를 인가하여 고조파 성분을 상쇄시킨다. In other words, the ultrasonic wave to which the time delay is applied is alternately applied to the transmission vibrators 210 - 1 located on the left side of the transducer 100 and the transmission vibrators 210 - 2 located on the right side of the transducer 100 to cancel the harmonic component.

예를 들어, 송신 진동자(121)이 초음파를 인가한 후에 π/4+α지연된 시점에서 송신 진동자(122)를 통해 초음파를 인가하여, 각 진동자에서 발진된 초음파가 집속되는 지점에서 위상이 π/4 차이나도록한다. 여기서 α는 송신 진동자(121)에서 저면에서 집속되는 지점까지 초음파의 전파거리와 송신 진동자(122)에서 저면에서 집속되는 지점까지의 초음파의 전파거리의 차이에 의해 발생한 값이다. 그리고 송신 진동자(122)가 초음파를 인가한 시점에서 π/4 +α' 지연된 시점에서 송신 진동자(123)이 초음파를 인가한다. 여기서 α' 는 송신 진동자(122)에서 저면에서 집속되는 지점까지 초음파의 전파거리와 송신 진동자(123)에서 저면에서 집속되는 지점까지의 초음파의 전파거리의 차이에 의해 발생한 값이다.For example, after the transmission vibrator 121 applies the ultrasound, ultrasonic waves are applied through the transmission vibrator 122 at a delayed π/4+α time point, and the phase is π/ at the point where the ultrasound waves oscillated from each vibrator are focused. 4 Make a difference. Here, α is a value generated by the difference between the propagation distance of the ultrasonic wave from the transmitting vibrator 121 to the focusing point on the bottom and the ultrasonic wave propagation distance from the transmitting vibrator 122 to the focusing point on the bottom surface. In addition, the transmitting vibrator 123 applies the ultrasonic wave at a time delayed by π/4 +α' from the time when the transmitting vibrator 122 applies the ultrasonic wave. Here, α' is a value generated by the difference between the propagation distance of the ultrasonic wave from the transmitting vibrator 122 to the focusing point from the bottom and the ultrasonic wave propagation distance from the transmitting vibrator 123 to the focusing point on the bottom.

여기서 α 또는 α' 는 진동자 사이의 간격 및 검사 대상체의 두께에 따라 달라질 수 있다.Here, α or α' may vary depending on the distance between the vibrators and the thickness of the test object.

이처럼 좌측과 우측의 가장자리에서 중앙영역방향으로 송신 진동자들을 번갈아 선택하여 설정된 지연 시점을 적용하여 초음파 신호를 인가하도록 한다. In this way, the ultrasonic signal is applied by alternately selecting the transmission vibrators from the left and right edges toward the center region and applying the set delay time.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 위상 배열 신호를 나타내는 그래프이다. 4 is a graph illustrating a phased array signal according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 비선형 초음파 검사 장치를 이용하여 송신 진동자들을 통해 위상 배열 신호를 나타낸 그래프로, 각 위상 배열 신호를 중첩하기 전에 신호들을 나타낸다. 4 is a graph illustrating a phased array signal through transmission vibrators using the nonlinear ultrasound examination apparatus of the present invention, and shows the signals before superimposing each phased array signal.

도 4에 도시한 바와 같이, 송신 진동자들의 가장자리에서부터 중앙 영역의 방향으로 번갈아 가며 인가하는 초음파(기본파, f)와 해당 초음파에 의해 발생하는 2차 고조파(2f)를 나타낸다. As shown in FIG. 4 , the ultrasonic wave (fundamental wave, f) applied alternately from the edge of the transmission vibrators to the central region and the second harmonic wave 2f generated by the ultrasonic wave are shown.

우측 송신 진동자들과 좌측 송신 진동자들에서 각각 전파해온 초음파 신호에 의해 검사체의 저면에서 집속되는 과정에서 우측에서의 신호와 좌측에서의 신호가 서로 중첩된다. The signal on the right and the signal on the left are overlapped with each other in the process of being focused on the bottom surface of the test object by the ultrasonic signals propagated from the right transmitting vibrators and the left transmitting vibrators, respectively.

이에 따라 기본파(f)는 상쇄 간섭하여 가진한 초음파의 진폭에 비해 작아진 크기가 되지만, 2차 고조파(2f)는 서로 상쇄된다. Accordingly, the fundamental wave f has a size smaller than the amplitude of the excitation ultrasonic wave due to destructive interference, but the secondary harmonics 2f cancel each other out.

도 5a와 5b는 본 발명의 한 실시예에 따른 저면 반사 신호와 저면 반 사후 수신 신호를 나타내는 그래프이다. 5A and 5B are graphs illustrating a bottom reflection signal and a bottom reflection post-reception signal according to an embodiment of the present invention.

도 5a는 검사체의 저면(focal spot)에서 반사신호를 시간에 따른 진폭으로 나타낸 그래프와 검사체의 저면에서의 반사 신호의 주파수를 나타낸 그래프이고, 도 5B는 저면 반사 후에 수신 진동자를 통해 수신한 신호를 시간에 따른 진폭으로 나타낸 그래프와 최종 수신한 주파수를 나타낸 그래프이다. FIG. 5A is a graph showing the amplitude of the reflected signal from the focal spot of the test object with respect to time and a graph showing the frequency of the reflected signal from the lower surface of the test object. A graph showing the amplitude of the signal over time and a graph showing the final received frequency.

도 5a에 도시한 바와 같이, 탐촉자를 통해 시간 지연하여 초음파를 인가함으로써, 검사체의 일면에서 저면으로 전달하는 초음파에 의해 생성되는 2차 고조파가 상쇄되어 실제 저면에서는 상쇄간섭에 의해 진폭이 작아진 크기의 기본파(f)만이 반사된다. As shown in Fig. 5a, by applying ultrasonic waves with a time delay through the transducer, the second harmonic generated by the ultrasonic waves transmitted from one surface of the test object to the lower surface is canceled, and the amplitude is reduced due to destructive interference on the actual lower surface. Only the fundamental wave f of magnitude is reflected.

이에 따라 기본파 성분의 초음파 신호가 해당 저면에서 검사체를 투과하여 감지되면 도 5b와 같이 나타낼 수 있다. 기본파 성분(f)는 진폭이 작아진 크기로 검사체의 저면에서 반사되며, 검사체를 투과하면서 진폭이 더 작아진 크기로 수신 진동자에 의해 감지된다. 그리고 해당 기본파 성분(f)가 투과되면서 발생하는 제2 고조파 성분(2f)을 감지함으로써, 검사체의 재료를 전파하는 과정에서 발생하기 때문에 재료의 비선형 탄력특성을 정밀하게 측정할 수 있다. Accordingly, when the ultrasonic signal of the fundamental wave component is sensed by passing through the test object from the corresponding bottom surface, it can be represented as shown in FIG. 5B. The fundamental wave component (f) is reflected from the bottom of the test object with a reduced amplitude, and is detected by the receiving vibrator with a smaller amplitude while passing through the test object. And, by detecting the second harmonic component 2f generated while the corresponding fundamental component f is transmitted, it is possible to precisely measure the nonlinear elastic properties of the material because it is generated in the process of propagating the material of the test object.

본 발명에 따르면 검사체 한쪽면에서 검사체 재료의 비선형 탄성 특성을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있으며 이를 통해 재료의 미세 열화를 정밀하게 검사할 수 있다. According to the present invention, it is possible to quantitatively and precisely measure the nonlinear elastic properties of the material of the test object from one side of the test object, and through this, it is possible to precisely inspect the micro-deterioration of the material.

또한, 본 발명에 따르면 1개의 탐촉자를 이용하여 한쪽 면에서 검사를 수행함으로써, 다양한 구조의 검사체에 대해 현장 적용성이 향상되어 다양한 부품들의 품질 관리와 원전 시설등의 산업 구조물의 안전성을 관리함에 있어 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있다. In addition, according to the present invention, by performing the inspection from one side using a single transducer, field applicability is improved for inspection bodies of various structures, so that quality control of various parts and safety of industrial structures such as nuclear power plants are managed. This can reduce the cost and time required.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the

Claims (10)

중심 영역에 위치하는 하나의 수신 진동자와 상기 수신 진동자의 좌측과 우측에 각각 위치하는 송신 진동자들을 포함하는 탐촉자,
상기 송신 진동자들의 위치에 기초하여 상기 송신 진동자들 각각에 대하여 시간 지연된 초음파 신호를 전송하도록 제어하는 제어기, 그리고
상기 송신 진동자들이 검사체의 일면에 인가한 초음파 신호에 대응하여 상기 수신 진동자로부터 수신한 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 정량화하여 상기 검사체의 미세열화를 진단하는 진단기
를 포함하고,
상기 2차 고조파 성분은 상기 검사체의 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분만을 나타내는 비선형 초음파 검사 장치.
A transducer including one receiving vibrator located in the central region and transmitting vibrators located on the left and right sides of the receiving vibrator, respectively;
a controller for controlling to transmit a time-delayed ultrasonic signal to each of the transmitting vibrators based on the positions of the transmitting vibrators; and
A diagnostic device for quantifying the fundamental and secondary harmonic components received from the receiving vibrator in response to the ultrasonic signal applied by the transmitting vibrator to one surface of the test object to diagnose micro-deterioration of the test object
including,
The second harmonic component represents only a second harmonic component generated by a fundamental component reflected from a bottom surface of the inspection object.
제1항에서,
상기 탐촉자는,
미리 정해진 간격으로 상기 수신 진동자와 상기 송신 진동자들이 배열되어 있고, 미리 정해진 크기의 송신 진동자들보다 더 큰 크기의 수신 진동자를 가지는 비선형 초음파 검사 장치.
In claim 1,
The probe is
The nonlinear ultrasound examination apparatus in which the receiving vibrator and the transmitting vibrators are arranged at a predetermined interval, and having a receiving vibrator having a larger size than the transmitting vibrators having a predetermined size.
제2항에서,
상기 제어기는,
상기 탐촉자의 좌측과 우측의 가장자리에서 상기 중심 영역의 방향으로 각각 하나의 송신 진동자에 번갈아 가며 초음파를 송신하고, 각 송신 진동자의 초음파 송신 시점을 π/4 +α 만큼 시간 지연을 적용하는 비선형 초음파 검사 장치.
In claim 2,
The controller is
Nonlinear ultrasound examination in which ultrasonic waves are alternately transmitted from the left and right edges of the transducer to one transmitting vibrator in the direction of the central region, and a time delay of π/4 +α is applied to the ultrasonic transmission time of each transmitting vibrator Device.
제3항에서,
상기 송신 진동자들로부터 송신되는 초음파 신호가 상기 검사체의 저면에서 집속되면서 기본파 성분에 의해 생성되는 고조파 성분이 상쇄되는 비선형 초음파 검사 장치.
In claim 3,
A nonlinear ultrasound examination apparatus in which a harmonic component generated by a fundamental component is canceled while ultrasound signals transmitted from the transmitting vibrators are focused on a bottom surface of the test object.
제4항에서,
상기 진단기는,
상기 수신 진동자로부터 수신한 상기 2차 고조파 성분을 비선형 파라미터로 정량화하여 상기 검사체의 재료에 대한 비선형 탄성 특성을 정량적으로 측정하는 비선형 초음파 검사 장치.
In claim 4,
The diagnostic device,
A nonlinear ultrasound inspection apparatus for quantitatively measuring nonlinear elastic properties of the material of the test object by quantifying the second harmonic component received from the receiving vibrator as a nonlinear parameter.
비선형 초음파 검사 장치에서, 검사체의 일면에 하나의 수신 진동자와 송신 진동자들이 미리 정해진 간격으로 배열된 탐촉자를 배치하는 단계,
미리 설정된 순서에 기초하여 상기 송신 진동자들이 순차적으로 상기 검사체의 저면을 향해 초음파 신호를 인가하는 단계,
인가된 상기 초음파 신호가 상기 검사체의 저면에서 집속되고, 상기 검사체의 저면에서 반사되어 돌아오는 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 상기 수신 진동자로부터 수신하는 단계, 그리고
상기 기본파 성분과 상기 2차 고조파 성분을 비선형 파라미터로 정량화하는 단계
를 포함하고,
상기 2차 고조파 성분은 상기 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분만을 나타내는 비선형 초음파 검사 방법.
In the nonlinear ultrasonic inspection apparatus, disposing a transducer in which one receiving vibrator and one transmitting vibrator are arranged at predetermined intervals on one surface of the inspection object;
step of sequentially applying the ultrasonic signal toward the bottom of the test object by the transmitting vibrators based on a preset order;
receiving, from the receiving vibrator, a fundamental component and a second harmonic component in which the applied ultrasonic signal is focused on the bottom surface of the inspection body and returned by being reflected from the bottom surface of the inspection body; and
Quantifying the fundamental component and the second harmonic component as a non-linear parameter
including,
The second harmonic component represents only the second harmonic component generated by the fundamental wave component reflected from the bottom surface.
제6항에서,
상기 탐촉자를 배치하는 단계는,
수신 진동자를 중앙영역에 형성하고, 상기 수신 진동자의 좌측과 우측에 각각 동일한 개수의 상기 송신 진동자들을 형성한 하나의 탐촉자를 일면에 밀착하여 배치하는 비선형 초음파 검사 방법.
In claim 6,
The step of disposing the transducer,
A nonlinear ultrasonic inspection method in which a receiving vibrator is formed in a central region, and a single transducer having the same number of transmitting vibrators formed on the left and right sides of the receiving vibrator is disposed in close contact with one surface.
제7항에서,
상기 초음파 신호를 인가하는 단계는,
좌측 또는 우측 가장자리 송신 진동자에서 중앙 영역의 송신 진동자의 방향으로, 좌측 송신 진동자와 우측 송신 진동자에 번갈아 가며 상기 초음파 신호를 인가하는 비선형 초음파 검사 방법.
In claim 7,
The step of applying the ultrasonic signal comprises:
A nonlinear ultrasound inspection method in which the ultrasonic signal is alternately applied to a left transmitting vibrator and a right transmitting vibrator in a direction from a left or right edge transmitting vibrator to a transmitting vibrator in the central region.
제8항에서,
상기 초음파 신호를 인가하는 단계는,
각 송신 진동자마다 초음파 신호를 인가하는 시간을 π/4+α만큼 딜레이하여 상기 초음파 신호가 상기 검사체의 저면에서 집속되면서 상기 초음파 신호에 의해 생성되는 2차 고조파 성분이 상쇄되는 비선형 초음파 검사 방법.
In claim 8,
The step of applying the ultrasonic signal comprises:
A nonlinear ultrasound examination method in which a second harmonic component generated by the ultrasound signal is canceled while the ultrasound signal is focused on the bottom surface of the inspection object by delaying the time for applying the ultrasound signal to each transmission vibrator by π/4+α.
제9항에서,
상기 비선형 파라미터로 정량화하는 단계는,
상기2차 고조파 성분의 진폭의 크기를 측정하여 상기 비선형 파라미터로 정량화하고 상기 비선형 파라미터와 미리 저장된 상기 검사체의 비선형 파라미터를 비교하여 상기 검사체의 미세 열화 정도를 확인하는 비선형 초음파 검사 방법.
In claim 9,
The step of quantifying with the non-linear parameter is,
A non-linear ultrasound inspection method for measuring the amplitude of the second harmonic component, quantifying it as the non-linear parameter, and comparing the non-linear parameter with the pre-stored non-linear parameter of the test object to determine the degree of micro degradation of the test object.
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