KR20240093827A - 충격 측정용 지지 베드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 온도 제어식 시험 챔버, 충격기, 센서 시스템 및 지지 시스템을 포함하는 충격 가진 측정 시스템이며, 충격기는 0℃ 내지 1600℃의 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 지지 시스템에 의해 지지되는 시험편에 아래로부터 충격을 제공하도록 구성되고, 센서 시스템은 충격기에 의해 시험편에 제공되는 충격에 대한 시험편의 진동 응답을 취득하도록 구성되며, 지지 시스템은 시험 챔버 내에서 고체 시험편을 지지하기 위한 베드를 포함하고, 상기 베드는 시험편의 탄성보다 상당히 큰 탄성을 가지며, 상기 베드는 충격기가 시험편에 아래로부터 충격을 제공할 수 있게 하기 위한 관통부를 추가로 포함하고, 충격기는 시험 온도에 적어도 부분적으로 의존하는 충격 높이에서 시험편에 충격을 제공하도록 구성되며, 베드는 상기 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 충격 높이와 최대 0.5mm 상이한 지지 높이에서 시험편을 지지하도록 구성되는 충격 가진 측정 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 충격 가진 기술을 사용하여 고체 시험편에 대한 측정을 수행하기 위한 비파괴 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 다양한 온도에서 시험편에 대한 테스트를 수행하는 데 특히 유용하다. 측정은 고체의 결함과 이상을 검출하고 E-계수, G-계수, 포아송 상수 및 감쇠 파라미터를 특징짓는 데 유용하다. 보다 구체적으로, 본 발명은 시험편을 정확한 위치에 유지하기 위한 개선된 지지 시스템에 관한 것이다.
고체의 테스트는 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 첫 번째 테스트는 일반적으로 고체의 크기와 형상이 올바른지를 확인하고 표면 결함을 확인하기 위한 육안 검사로 구성된다. 그러나, 많은 경우에 고체의 특성은 눈에 보이지 않는 내부 구조에 크게 의존한다. 예를 들어, 금속 및 합금의 강도는 벌크 결함의 특정한 형태 및 양에 크게 의존한다. 이들 결함은 작거나 클 수 있으며, 자연적인 원인, 생산 방식, 마멸, 사고 등으로 인해 발생할 수 있다.
결함이 어떻게 발생하는지에 관계없이, 일부 경우에는 고체의 결함과 관련하여 고체의 상태를 아는 것이 중요하다. 고체의 결함을 분석하기 위해서, 고체의 시험편에 대해 침습적 방법 또는 비침습적 방법을 사용할 수 있다. 비침습적 방법에 의하면 시험편을 파괴하거나 개변하지 않고서도 분석이 가능하다. 따라서, 비침습적 방법은 통상적으로, 나중에 여전히 사용될 필요가 있는 시험편이나, 추가 테스트(그 자체가 침습적이거나 비침습적일 수 있음)를 받을 필요가 있는 시험편에 사용된다.
고체에 대한 비침습적 테스트 방법 중 한 가지 형태는 시험편 분석을 위해 진동을 사용한다. 이로 인해 시험편은, 고체를 통해 전파될 수 있고 따라서 전달, 반사 또는 흡수될 수 있는 제어된 진동을 겪게 된다. 제어된 진동은 충격 가진 기술(impact excitation technique: IET)에 의해 유도될 수 있으며, 이에 의하면 시험편은 충격을 받을 때 실질적으로 방해받지 않고 진동할 수 있도록 배치된다. 임펄스 가진 기술에서, 시험편의 재료 특성은 이후, 전용 도구나 발사체로 샘플에 충격을 가하고, 압전 센서, 마이크, 레이저 진동계 또는 가속도계와 같은 진동 신호 측정 센서로 수집되는 결과적 진동을 분석함으로써 결정된다. 고체를 통한 진동은 소리 또는 음파로도 지칭되며, 측정값은 음향 측정으로도 지칭된다. 따라서 진동 신호 측정 센서는 본 출원의 맥락에서 "음향 센서"로도 지칭된다.
국제출원 WO 2019/020825 A1호에는 소리를 이용하여 고체를 테스트하는 장치가 기재되어 있다. 이 문헌은 고체 재료 샘플의 기계적 진동 응답을 분석하기 위한 장치를 개시하고 있으며, 이 장치는: 상기 고체 재료 샘플 표면 상의 각각의 명확한 지점에 충격을 가하도록 배치된 충격기(impactor) 어레이; 상기 적어도 하나의 충격기의 충격에 이어서 상기 기계적 진동 응답을 시간-가변성(time-varying) 신호로서 포착하도록 구성된 센서; 및 상기 시간-가변성 신호를 구성하는 정현파의 주파수와 붕괴 상수를 결정하기 위해 상기 시간-가변성 신호를 분석하도록 구성된 처리 수단을 포함한다. 본 발명은 또한 고체 재료 샘플을 특징짓는 대응 방법에 관한 것이다.
진동 가진에 대한 고체 시험편의 응답 분석에는 통상적으로 이하의 파라미터의 하나 이상, 바람직하게는 그 전부의 추출이 포함된다:
- 시험편의 인장 탄성을 나타내는 영률(E);
- 전단 응력에 대한 시험편의 응답을 나타내는 전단 계수(G);
- 인가된 단일축 응력에 직교하는 방향으로 시험편의 변형을 나타내는 포아송 비(v);
- 내부 마찰에 의해 초래되는 신호의 감쇠 또는 쇠약.
이들 특성은 통상적으로 진동 가진의 주파수 또는 주파수 범위에 의존한다. 이로 인해, 시험편은 시험편의 다양한 진동 모드에 의존하는 다수의 공진 주파수를 가질 수 있다. 여기에서 중요한 모드는 굽힘 모드와 비틀림 모드이다. 이들 공진 주파수에서의 파라미터 값은 시험편의 상태를 설명하기 위한 중요한 수치이다.
많은 용도에서, 예를 들어 기계류에서의 고체 부품은 다양한 온도에서 사용된다. 이로 인해 작동 온도는 급속하게 및/또는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 변동할 수 있다. 예를 들어, 차량의 브레이크 디스크는 작동 중에 상당히 급속하게(기본적으로 몇 초 내에 주변 온도에서부터 500℃ 이상으로) 가열될 수 있다. 다른 예로는 비행기의 제트용 등유 분사 노즐이 있으며, 이것은 작동 중에 1500℃ 이상으로 가열될 수 있다. 고온 범위는 부품의 재료 특성, 특히 전술한 영률, 전단 계수 및 포아송 비와 같은 탄성 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 고체는 더 높은 온도에서 내부 결합의 평균적인 약화로 인해 더 유연해질 것으로 예상할 수 있으며, 이것은 기본적으로 온도가 상승할수록 E와 G가 점진적으로 감소할 것으로 예상된다는 것을 의미한다.
상이한 온도에서, 고체 부품은 상이한 재료 특성을 가질 수 있다. 이것은 부품의 기능에 영향을 미칠 수 있다. 어떤 온도나 온도 범위에서 부품의 정상 기능 또는 의도된 기능이 방해받는지를 알아내는 것이 중요하다. 이것은 재료의 벌크 특성, 온도 변화로 인해 유도될 수 있는 결함, 더 높은 온도에서 더 중요해질 수 있는 결함, 부품의 다양한 부분에서의 팽창 변동성 등이 원인일 수 있다. 부품 재료 특성의 온도 의존성의 구체적인 예는 다음과 같다:
- 부품 강성을 저하시켜 그 적절한 기능을 방해하는 탄성 특성의 일반적인 변화, 예를 들어 브레이크 디스크는 고온에서 너무 탄성적이 되어 적절한 제동이 불가능해질 수 있다,
- 특정 온도에서 또는 특정 온도 범위 내에서의 상 전이는 부품의 재료 특성을 심각하게 변화시킬 수 있다,
- 화학 반응이 마찬가지로 부품의 재료 특성을 변화시킬 수 있다.
- 예를 들어 합금에서의, 화학량론적으로 다른 상의 침전이 예를 들어 잘못된 생산 방법으로 인해 재료에 존재할 수 있으며, 이것은 상이한 온도-의존성 팽창을 갖는 재료 사이의 내부 재료 경계로 이어질 수 있다. 명백히 이것은 심각한 문제를 초래할 수 있다,
- 라미네이트 또는 기타 층상 부품은, 하나의 층의 다음 층에 대한 접착력이 고온에서 저하될 수 있다.
다양한 온도에서 및/또는 의도된 작동의 전체 온도 범위에 걸쳐서 고체 부품의 적절한 기능을 테스트하기 위해서는, 시험편의 재료 특성을 다양한 온도에서 측정할 필요가 있다. 이로 인해, 시험편은 예를 들어 전체 부품, 부품의 일부, 또는 부품의 동일한 재료의 조각일 수 있다. 테스트는 적어도 온도를 제어할 수 있는 통제된 환경에서 수행하는 것이 바람직하다. 이후 다양한 온도에서 재료 특성이 측정된다.
발명자는 -50℃ 미만에서부터 2000℃를 초과할 수 있는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 시험편의 재료 특성을 측정하는 것이 실제로 매우 어려울 수 있다는 것을 알았다. 이러한 온도 범위에 대한 온도 제어 환경을 조성하려면 통상적으로 복수의 진동-발생 부품을 포함할 수 있는 오븐이 필요하다. 명백히, 오븐에 의해 발생하는 배경 진동은 측정 프로세스에 간섭할 수 있다. 이들 배경 진동은 통상적으로 온도가 높을수록 악화된다. 또한, 일부 재료 특성(예를 들어 E 및 G)은 온도가 상승할수록 감소할 것으로 예상할 수 있으므로, 신호도 감소할 것이다. 두 가지 효과 모두 고온에서 신호-대-잡음(signal-to-noise: STN) 비가 낮아지게 할 것이다.
국제 출원 WO 2020/254698 A1호는 고온에서 시험편의 재료 특성을 음향적으로 측정하기 위한 방법을 개시하고 있으며, 이 방법은: a. 시험편을 시험 온도 범위 내로 가열하는 단계; b. 교정 기간 내에 시험편으로부터 진동 신호를 포착함으로써 상기 시험 온도 범위 내에서 배경 측정을 수행하여, 노이즈 신호를 취득하는 단계; c. 상기 시험 온도 범위 내에서 및 시험 기간 내에 상기 시험편에 대한 음향 측정을 수행하는 단계로서, c1. 시험편 상에 진동 가진을 부여하고; c2. 시험 기간 내에 시험편의 진동 신호를 포착하여 상기 진동 가진에 대한 진동 응답 신호를 취득함으로써 음향 측정을 수행하는 단계, 및 d. 노이즈 신호를 고려하여 진동 응답 신호를 분석함으로써 시험편의 재료 특성을 취득하는 단계를 포함한다. 이 문헌에는 고온에서 시험편의 재료 특성을 음향적으로 측정하기 위한 시스템도 개시되어 있다.
상기 종래 기술 문헌은 다양한 온도에서 충격에 대한 음향 응답을 취득하기 위한 방법 및 시스템을 개시하고 있지만, 발명자는 특히 다양한 온도에서 수행되는 테스트에서 정확도가 여전히 향상될 수 있음을 알아냈다.
본 발명의 목적은 고온에서의 시험편에 대한 음향 측정에서 STN 비가 악화되는 문제를 해결하고, 어떤 온도에서도 보다 정확한 감쇠 측정 결과를 얻는 것이다. 또한, 본 발명은 시험 챔버 내에서 시험편을 지지하기 위한 새롭고 독창적인 지지 시스템을 제공하며, 이 지지 시스템은 안정적이고 오류를 줄이는 방식으로 다양한 온도에서 시험편을 지지할 수 있다.
본 발명은 온도 제어식 시험 챔버, 충격기, 센서 시스템 및 지지 시스템을 포함하는 충격 가진 측정 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은, 시험편의 재료 결함이나 예상 거동 또는 이상적 거동으로부터의 시험편 조성 또는 구조의 편차를 체크하는 데 중요할 수 있는 다양한 온도에서의 시험편의 재료 특성을 취득하기 위해 시험 온도 범위 내의 다양한 온도에서 시험편의 진동 응답을 테스트하는 데 사용될 수 있다. 따라서 충격기는 0℃ 내지 1600℃의 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 지지 시스템에 의해 지지되는 시험편에 아래로부터 충격을 제공하도록 구성된다. 충격기는 바람직하게 탄도 충격기이며, 이것은 바람직하게 충격기 액추에이터에 의해 충격기에 속도가 제공되고, 그 후 충격기가 적어도 시험편에 충돌할 때까지 중력 하에 이동한다는 것을 의미한다. 아래로부터 충격을 제공함으로써, 충격기가 충격 후에 아래쪽으로 낙하할 수 있으며, 이것은 충격기가 시험편에 2차 충격을 제공하지 못하도록 보장할 수 있다. 센서 시스템은 충격기에 의해 시험편에 제공되는 충격에 대한 시험편의 진동 응답을 취득하도록 구성된다. 바람직하게, 센서 시스템은 시험편의 음향 응답을 등록할 수 있는 하나 이상의 마이크를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 센서 시스템은 또한 레이저와 같은 하나 이상의 간섭성(coherent) 광원, 및 시험편으로부터 반사되는 간섭성 광원으로부터의 광을 등록하여 시험편의 진동 응답을 측정하도록 구성된 하나 이상의 광학 센서를 포함할 수 있다.
지지 시스템은 시험 챔버 내에서 고체 시험편을 지지하기 위한 베드를 포함하고, 상기 베드는 시험편의 탄성보다 상당히 큰 탄성을 가지며, 상기 베드는 충격기가 시험편에 아래로부터 충격을 제공할 수 있게 하기 위한 관통부를 추가로 포함한다. 부품의 "탄성"이라는 용어는 부품이 응력 하에 탄성적으로 신장되는 방식을 지칭하며, 따라서 동일한 응력 하에 제1 부품이 제2 부품보다 큰 상대 변형률을 갖는 경우 제1 부품이 제2 부품보다 더 탄성적이라고 지칭된다. 이로 인해 탄성은 탄성 변형에 대해 상대 변형률 파라미터(ε)를 응력 파라미터(σ)로 나눈 비율(ε/σ)로 표현될 수 있으며, 바람직하게 이 비율이 영률(E)이다. 바람직하게 지지 베드의 탄성은 시험편 재료의 탄성의 5배 이상이고, 더 바람직하게 시험편 재료의 탄성의 10배 이상, 더욱 더 바람직하게 50배 이상, 더 더욱 바람직하게 100배 이상, 한층 더 바람직하게 200배 이상, 훨씬 더 바람직하게 500배 이상, 훨씬 더욱 더 바람직하게 1000배 이상이다. 본 발명의 시스템 및 방법은 충격에 대한 음향 응답을 측정함으로써 그리고 음향 응답을 공진 주파수, 공진 주파수의 시프트, 특정 주파수에서의 응답의 붕괴 상수 등에 대해 분석함으로써 시험편의 특성을 취득하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 시스템에서의 충격기는 충격 높이에서 시험편에 충격을 제공하도록 구성된다. 충격 높이는 충격기가 시험편 상에 충격을 제공하도록 의도된 높이이다. 충격기가 탄도 충격기인 경우에, 충격기 액추에이터는 충격기가 충격 높이에 도달하기에 충분히 크고, 바람직하게는 충격기가 시험편에 충격 에너지의 양을 전달하도록 더 큰 것이 바람직한 수직 속도 성분을 충격기에 제공하도록 구성된다. 통상적으로, 실험자는 충격 에너지를 가능한 한 양호하게 제어하려고 할 것인데, 왜냐면 이 충격 에너지가 진동을 유발하기 위해 충격기로부터 시험편에 전달되는 에너지에 대응하기 때문이다. 충격 에너지의 양은 충격이 시험편을 소성 변형시키지 않도록 충분히 작은 것이 바람직하다. 또한, 충격 에너지의 양은 본질적으로 시험편을 센서 시스템의 최적 감도에 대응하는 진폭으로 진동시키는 데 필요한 에너지에 대응하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 충격 높이는 시험 온도에 적어도 부분적으로 의존한다. 시험 온도는 넓은 온도 범위 내에서 변화할 수 있기 때문에, 충격기 자체는 상이한 온도에서의 측정을 위해 달라질 수 있는 치수, 특히 높이를 가질 수 있다. 따라서 충격 높이는 충격기의 열적 선형 팽창에 의존하며, 보다 구체적으로는 충격기 높이의 열적 선형 팽창에 의존한다. 충격 높이는 온도 의존적인 다른 특성에 의존할 수도 있다. 예를 들어, 충격기는, 적어도 부분적으로 시험 챔버 내부에 위치할 수 있고 따라서 시험 온도에 있을 수 있는 충격기 액추에이터에 의해 구동될 수 있다. 충격기 액추에이터가 온도 의존적 특성을 갖는 경우, 충격기 액추에이터에 의해 충격기에 제공되는 에너지도 온도 의존성을 가질 가능성이 있으며, 이것은 결국 충격 높이에 영향을 미칠 수 있다. 충격 높이는 충격기가 시험편 상에 충격을 제공하도록 의도된 높이이며 충격기와 충격기 액추에이터의 테스트 설정에 의해 제어된다는 것에 다시 유의해야 한다.
본 발명의 시스템에서, 베드는 지지 높이에서 시험편을 지지하도록 구성된다. 지지 높이는 시험편이 지지되는 실제 높이를 지칭하며, 특히 충격기에 의해 시험편에 충격이 제공되는 위치에서의 높이를 지칭한다. 많은 경우에, 시험편은 빔 형상을 가지며, 빔의 하면이 지지 높이에서 수평으로 위치하도록 수평으로 지지된다. 정확한 측정을 보장하기 위해, 지지 높이는 상기 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 충격 높이와 최대 0.5mm 상이하다. 바람직하게, 지지 높이는 상기 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 충격 높이와 본질적으로 동일하다.
발명자는 넓은 온도 간격에 걸쳐있는 상이한 온도에서 측정을 수행할 때 측정의 정확도가 온도에 크게 의존한다는 것을 알아냈다. 이 측정에서는, 각각의 온도에 대해, 충격기 작동을 위한 동일한 설정을 포함하여 동일한 프로세스 파라미터가 사용되었다. 발명자는 놀랍게도 정확도 변화의 주 원인이 시험편의 위치를 충격기에 관하여, 보다 구체적으로는 충격기에 대한 시험편의 변경된 높이에 관하여 변화시키는 열팽창에 의한 것임을 알아냈으며; 열팽창은 통상적으로 매우 작아서 육안으로는 쉽게 볼 수 없다. 실제로, 1mm 정도의 작은 높이 변화는 거의 눈에 띄지 않지만, 이미 정확도를 크게 저하시킬 수 있다.
따라서, 발명자는 종래 기술의 지지 시스템에 의해 얻어지는 측정의 정확도가 향상될 수 있다는 것을 알아냈다. 이로 인해, 발명자는 정확도가 온도에 의존할 수 있다는 점에 주목하고, 지지 시스템의 열팽창이 정확한 측정값을 취득하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 알아냈다. 이 효과는 측정이 수행되는 온도 간격이 큰 경우에 특히 두드러진다. 실제로, 이 시스템은 시험편의 진동 특성이 지지 시스템에 의해 영향을 받지 않도록 시험편을 지지할 수 있는 지지 시스템을 요구한다. 충격기에 대해 크게 변하지 않는 지지 높이에서 시험편을 유지할 수 있는 지지 시스템을 찾아내는 것은 간단치 않은 일이다. 충격기는 특정 높이에서 시험편에 충격을 제공하도록 구성된다. 따라서 충격기와 지지 시스템 사이의 상대 높이의 변화는 정확한 측정을 수행하는 시스템의 성능에 영향을 준다.
그러므로, 본 발명의 시스템의 지지 시스템은 평탄한 매트 형상의 열적으로 안정한 탄성 재료로 구성되는 것이 바람직한 지지 베드를 포함한다. 지지 베드는 바람직하게 개방형 구조를 포함한다. 바람직하게 지지 베드는 부직포 재료로 구성된다. 지지 베드는 충격기가 시험편에 아래로부터 충격을 제공할 수 있게 하기 위한 적어도 하나의 관통부를 포함한다.
"열적으로 안정한 재료"라는 용어는 넓은 온도 간격에 걸쳐서 열팽창이 매우 작은 재료를 지칭한다. 바람직하게, 재료는 최대 25.0×10-6 K-1, 더 바람직하게 최대 15.0×10-6 K-1, 더욱 더 바람직하게 최대 10.0×10-6 K-1, 더 더욱 바람직하게 최대 8.0×10-6 K-1, 훨씬 더 바람직하게 최대 6.0×10-6 K-1, 훨씬 한층 더 바람직하게 최대 5.0×10-6 K-1, 훨씬 더욱 더 바람직하게 최대 4.0×10-6 K-1, 가장 바람직하게 최대 3.0×10-6 K-1의 선형 팽창 계수를 포함한다. 바람직하게, 재료는 측정이 수행되는 온도 간격의 전체 범위에 걸쳐서 이러한 낮은 열팽창을 포함한다.
본 발명은 또한 이하를 포함하는 키트에 관한 것이다:
- 온도 제어식 시험 챔버, 충격기 및 센서 시스템을 포함하는 충격 가진 측정 시스템으로서, 충격기는 0℃ 내지 1600℃의 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 시험편에 아래로부터 충격을 제공하도록 구성되고, 센서 시스템은 충격기에 의해 시험편에 제공되는 충격에 대한 시험편의 진동 응답을 취득하도록 구성되며, 충격기는 시험 온도에 적어도 부분적으로 의존하는 충격 높이에서 시험편에 충격을 제공하도록 구성되는, 충격 가진 측정 시스템,
- 고체 시험편, 및
- 시험 챔버 내에서 고체 시험편을 지지하기 위한 베드를 포함하는 지지 시스템으로서, 상기 베드는 시험편의 탄성보다 상당히 큰 탄성을 가지며, 상기 베드는 충격기가 시험편에 아래로부터 충격을 제공할 수 있게 하기 위한 관통부를 추가로 포함하고, 베드는 상기 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 충격 높이와 최대 0.5mm 상이한 지지 높이에서 시험편을 지지하기 위한 지지면을 포함하는, 지지 시스템.
본 발명은 또한 바람직하게 0℃ 내지 1600℃의 온도 범위 내의 하나 이상의 온도에서 시험편의 재료 특성을 음향적으로 측정하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 방법은:
a. 본 발명에 따른 시스템의 시험 챔버 내의 지지 시스템 상에 시험편을 배치하고, 바람직하게 시험편을 시험 온도 범위 내로 가열하는 단계;
b. 바람직하게, 교정 기간 내에 시험편으로부터 진동 신호를 포착함으로써 바람직하게 상기 시험 온도 범위 내에서 배경 측정을 수행하여, 노이즈 신호를 취득하는 단계;
c. 바람직하게 상기 시험 온도 범위 내에서 시험 기간 내에 상기 시험편에 대한 음향 측정을 수행하는 단계로서:
c1. 시험편 상에 진동 가진을 부여하고;
c2. 시험 기간 내에 시험편의 진동 신호를 포착하여, 상기 진동 가진에 대한 진동 응답 신호를 취득함으로써 음향 측정을 수행하는 단계, 및
d. 바람직하게 노이즈 신호를 고려하여 진동 응답 신호를 분석함으로써 시험편의 재료 특성을 취득하는 단계를 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 빔형 시험편이 있거나 없는 지지 베드뿐만 아니라 시험편의 진동 모드의 노드를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예의 도시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예의 도시도이다.
도 4는 본 발명에 따른, 음향 응답을 측정하고, 다양한 온도에서 이들 측정으로부터 재료 특성을 취득하기 위한 방법의 도시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예의 도시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예의 도시도이다.
도 4는 본 발명에 따른, 음향 응답을 측정하고, 다양한 온도에서 이들 측정으로부터 재료 특성을 취득하기 위한 방법의 도시도이다.
본 발명은 위에서 설명하고 본 문헌에서 추가로 설명되는 충격 가진 측정 시스템, 위에서 설명하고 본 문헌에서 추가로 설명되는 충격 가진 측정 시스템, 지지 시스템 및 적어도 하나의 시험편을 포함하는 키트, 및 위에서 설명하고 본 문헌에서 추가로 설명되는 시험편의 재료 특성을 음향적으로 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
"음향적" 및 "진동적"이라는 용어는 본 명세서 전체에서 동의어로 사용된다.
본 발명의 시스템 또는 방법을 사용하여 수행될 수 있는 측정은 하한 및 상한을 포함하는 온도 간격에 걸쳐 수행되는 것이 바람직하다. 이 온도 간격은 바람직하게 최고 50℃, 더 바람직하게 최고 30℃, 더욱 더 바람직하게 최고 20℃, 더 더욱 바람직하게 최고 0℃, 훨씬 더 바람직하게 최고 -18℃, 훨씬 더욱 더 바람직하게 최고 -80℃의 하한을 포함한다. 온도 간격의 특히 바람직한 하한은 실온이다. 온도 간격은 바람직하게 20℃ 이상, 더 바람직하게 50℃ 이상, 더욱 더 바람직하게 100℃ 이상, 더 더욱 바람직하게 200℃ 이상, 한층 더 바람직하게 400℃ 이상, 훨씬 더 바람직하게 600℃ 이상, 훨씬 한층 더 바람직하게 800℃ 이상, 훨씬 더욱 더 바람직하게 적어도 1000℃ 또는 그 이상, 예를 들어 1100℃, 1200℃, 1300℃, 1400℃, 1500℃, 1600℃ 및 그 사이의 임의의 값 또는 그 이상의 상한을 포함한다. 베드의 재료는 온도 간격에 걸쳐 열적으로 안정한 것이 바람직하다. -80℃ 내지 1600℃, 특히 0℃ 내지 1600℃의 큰 온도 간격을 고려하면, 베드는 멀라이트(SiO2), 알루미나(Al2O3) 또는 그 조합, 예를 들어 다결정 멀라이트 및 알루미나 울과 같은 세라믹 재료 또는 유리상 재료에 의해, 바람직하게 부직포 구조로 제조되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 베드는 10 중량% 내지 50 중량%의 멀라이트와 50 중량% 내지 90 중량%의 알루미나를 포함한다. 더 바람직하게, 베드는 20 중량% 내지 40 중량%의 멀라이트와 60 중량% 내지 80 중량%의 알루미나를 포함한다. 더욱 더 바람직하게, 베드는 25 중량% 내지 35 중량%의 멀라이트와 65 중량% 내지 75 중량%의 알루미나를 포함한다. 훨씬 더 바람직하게, 베드는 약 28 중량%의 멀라이트와 약 72 중량%의 알루미나를 포함한다.
일 실시예에서, 베드는 평탄한 매트 형상을 갖는다. 바람직하게, 베드는 5mm 내지 50mm, 더 바람직하게 6mm 내지 45mm, 더욱 더 바람직하게 7mm 내지 40mm, 더 더욱 바람직하게 8mm 내지 35mm, 한층 더 바람직하게 9mm 내지 30mm, 훨씬 더 바람직하게 10mm 내지 29mm, 예를 들어 10mm, 11mm, 12mm, 13mm, 14mm, 15mm, 16mm, 17mm, 18mm, 19mm, 20mm, 21mm, 22mm, 23mm, 24mm, 25mm, 26mm, 27mm, 28mm, 29mm 또는 그 사이의 임의의 값의 높이를 갖는다. 12.5mm 또는 25mm가 특히 바람직하다. 여기에 제시된 베드의 높이는 20℃에서 측정된다.
특히 바람직한 실시예에서, 베드는 최대 1600℃(2912℉)의 온도에 노출될 수 있는 다결정 멀라이트 섬유로 제조된 블랭킷을 포함하며, 이것은 가스방출 연기 또는 관련 문제를 유발하는 유기 결합제 또는 기타 첨가제를 함유하지 않는다. 바람직하게 베드는 대부분의 부식제, 산화 및 환원에 대해 우수한 내성을 보여준다. 바람직하게, 이러한 블랭킷의 파라미터 및 재료 함량은 이하의 표에 나타나 있다:
바람직한 베드의 예로는 M.E. Schupp Industriekeramik GmbH에서 제공되는 Fibermax® Needled Blanket이 포함된다.
바람직하게 시험편은 미리 정해진 형상 및/또는 미리 정해진 크기를 갖는다. 이것은 동일한 지지 시스템을 사용하여 동일한 미리 정해진 형상 및/또는 크기의 다양한 시험편을 측정할 수 있으므로 측정을 더 쉽게 수행할 수 있게 한다.
바람직하게 충격기는 기계적 충격기이거나 적어도 기계적 충격기를 포함한다. 기계적 충격기는 다양한 방식으로, 예를 들어 기계적으로 또는 전기기계적으로 작동될 수 있다. 기계적 시스템은 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있는 경향이 있으므로 기계적 충격기가 바람직할 수 있다.
바람직하게 지지 시스템의 베드는 시험 챔버에 대해 고정된다. 이 고정은 예를 들어 베드를 시험 챔버의 일부에 접착함으로써 영구적일 수 있거나, 고정은 예를 들어 베드를 시험 챔버의 일부에 클램핑, 나사체결, 볼트체결 또는 핀체결함으로써 해제 가능할 수 있다.
측정 중에, 시험편이 베드에 대해 재배치되지 않는 것이 중요할 수 있다. 이것은 시험편의 특정 진동 노드가 가진되도록 시험편이 베드 상에 배치되는 경우에 특히 중요하다. 이러한 설정에서는, 시험편이 베드에 대해 재배치되는 것이 금지되는 한편으로 진동할 수 있는 것이 바람직하다. 이것은 시험편의 수평 이동을 제한함으로써 달성될 수 있다. 이러한 수평 이동을 제한하는 정확한 방법은 시험편의 형상에 의존할 수 있지만, 많은 경우에 핀 세트가 사용될 수 있으며, 이에 따르면 핀은 시험편 바로 옆의 베드에 삽입되고, 바람직하게 핀은 시험편의 사방에 배치되며, 따라서 시험편의 수평 이동을 제한한다. 시험편이 빔형 형상을 갖는 경우, 바람직하게 네 개 이상, 더 바람직하게 네 개 이상의 핀이 사용되며, 적어도 하나의 핀이 빔형 시험편의 사방 각각에서 베드에 고정된다. 이후 시험편의 수평 회전을 방지하기 위해 선택적인 제5 핀 또는 선택적인 추가 핀이 어느 쪽에나 배치될 수 있다. 이것은 도 1a에 도시되어 있으며, 도 1a는 빔형 시험편(100)이 특정 높이(102), 예를 들어 25mm의 평탄한 매트 형상의 베드(101)에 의해 어떻게 지지되는지를 도시하고 있다. 시험편(100)은 핀 세트에 의해 수평 이동이 제한되며, 도면에는 그 중 세 개의 핀(103a, 103b, 103c)이 도시되어 있지만, 수평 이동을 완전히 제한하기 위해 시험편 뒤에 적어도 두 개의 핀이 존재한다. 충격기(108)에 의해 시험편에 제공되는 기계적 충격은 시험편의 진동 모드에 따라 시험편의 진동을 유발한다. 충격의 위치에 따라, 특정 진동 모드가 우선적으로 가진된다. 예를 들어, 도시된 도면에서, 충격은 두 개의 노드(104a, 104b)를 갖는 굽힘 모드의 안티-노드(105b) 위치에서 시험편의 단부에 제공된다. 시험편의 반대쪽에 있는 다른 안티노드(105a)에 충격을 제공함으로써 유사한 가진이 달성될 수 있다. 바람직하게, 충격은 측정하려는 시험편의 진동 모드의 안티노드의 위치에서 시험편에 제공된다.
노드 위치에서의 굽힘 모드 진동의 진폭은 시험편의 질량중심 프레임에서 소실되거나 적어도 매우 작다. 이것은 전체 테스트 중에 시험편이 노드 위치에서 지지된다는 것을 의미한다. 베드의 탄성은 시험편이 본질적으로 자유롭게 진동할 수 있도록 보장하는 바, 즉 진동은 베드의 존재에 의해 본질적으로 영향을 받지 않는다. 실제로, 베드의 탄성은 베드가 시험편의 진동 운동을 추종할 수 있도록 보장한다.
진동 응답의 측정에 의해, 실험자는 굽힘 모드 및 비틀림 모드와 같은 다양한 진동 모드의 고유진동수, 및 진동 모드가 얼마나 빨리 소멸되는지를 나타내는 감쇠 계수를 얻을 수 있다. 본 발명은 다양한 온도에서 이들 진동 특성을 얻을 수 있게 한다. 고유진동수 또는 감쇠 계수의 갑작스럽거나 예상치 못한 변화와 같은, 온도에 따른 특성의 갑작스럽거나 예상치 못한 변화는 통상적으로 시험편 구조의 변화, 결함 또는 오류를 나타낸다.
굽힘 진동 모드의 고유진동수(ff)는 샘플의 동적 영률(E)을 나타낸다. 질량(m), 길이(L), 폭(b) 및 두께(t)를 갖는 도시된 빔의 경우에, 이하의 관계식을 사용할 수 있다:
보정 계수 T는 다음과 같이 정의된다
비틀림 진동 모드의 고유진동수(ft)는 샘플의 전단 계수를 나타낸다. 질량(m), 길이(L), 폭(b) 및 두께(t)를 갖는 도시된 빔의 경우에, 이하의 관계식을 사용할 수 있다:
보정 계수 R은 다음과 같이 정의된다
본 발명에 따른 시스템의 베드(101)가 도 1b에 도시되어 있다. 이것은, 바람직하게 베드 상에 배치될 수 있는 시험편의 진동 모드의 안티노드에 대응하는 위치에 관통부(106)를 포함한다. 이로 인해 충격은 예를 들어 탄도 충격기를 사용하여 아래(107)로부터 제공될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 시스템을 도시한다. 이들 도면은 가열 챔버 및/또는 시험편을 소망 온도 또는 소망 온도 범위로 만들 수 있는 가열 요소 세트(302, 303, 304, 305, 306)를 포함하는 온도 제어식 시험 챔버("가열 챔버")(301)를 도시한다. 가열 요소(302, 303)는 가열 챔버 벽에 부착될 수 있고, 예를 들어 고온의 고압 유체와의 열교환, 전기 저항 가열, 자기 유도 등에 의해 가열 챔버 벽에 열을 제공할 수 있다. 이들 벽 가열 요소의 열은 예를 들어 환풍기(304, 305)에 의해 가열 챔버 내에 분배될 수 있다. 환풍기(304, 305)는 가열된 공기 또는 증기와 같은 따뜻한 유체를 가열 챔버에 제공하도록 구성될 수도 있다. 가열 요소는 또한 마이크로파 요소(306)와 같은 복사 가열 요소를 포함할 수 있다. 가열 챔버는 바람직하게, 가열 챔버 내의 및/또는 시험편의 실제 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 온도계도 포함하고, 바람직하게 시험편 및/또는 가열 챔버의 온도를 제어하도록 구성된 제어 회로도 포함한다.
시험편(307)은, 도 2에서 지지 바 세트(308a, 308b, 309a, 309b)를 포함하는 테이블(330) 상에 배치되는 베드(101)를 포함하는 지지체에 의해 현수되고, 상기 베드는 그 탄성이 시험편의 탄성보다 상당히 크기 때문에 시험편이 최대한 자유롭게 진동할 수 있게 한다. 도 3에서, 베드(101)는 가열 챔버의 바닥면 상에 배치되며, 따라서 도 2의 테이블과 같은 임의의 지지 구조물의 열팽창의 일체의 영향을 제거한다. 마이크 또는 레이저-간섭계를 포함할 수 있는 하나의 음향 센서(310) 또는 복수의 음향 센서가 바람직하게 명확한 위치에서 시험편과 접촉(311)될 수 있거나, 음향 센서에 대한 음향 응답을 안내하기 위해 도파관이 사용될 수 있으며, 바람직하게 도파관의 일 단부는 가열 챔버 내의 시험편 근처에 위치하거나 그와 직접 접촉하고 다른 단부는 바람직하게 가열 챔버의 외부에 위치한다. 후자의 실시예에서는 센서를 가열 챔버의 외부에 배치할 수 있다. 베드(101)는 충격기(312)의 상단이 시험편에 충격을 가할 수 있게 하는 관통부(107)를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 음향 센서는 레이저 간섭계를 포함한다. 레이저 간섭계는 진공 중에서의 측정에 특히 유용하며, 비접촉 측정이 가능하다. 대안적으로 또는 추가적으로, 음향 센서는 예를 들어 이하에 설명되는 바와 같은 초음파 측정 센서 및/또는 비행-시간형 센서 및/또는 도플러-기반 센서를 포함할 수 있다:
- S-R. Huang, R.M. Lerner, K.J. Parker, "진동 표적의 진폭의 시간 영역 도플러 추정기", J. Acous. Soc. Am., 91(2), 965-974(1992);
- J.Tapson, "공진 모드 로킹에 의한 고정밀, 단거리 초음파 감지", Ultrasonics, 33, 6, 441-444 (1995), 및
- R.Kazys, R. Sliteris, L. Mazeika, "진동 측정을 위한 초음파 기술", 제15차 비파괴 검사 세계 회의 의사록, 2000년 10월 15-21일, 로마, https://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn246/idn246.htm.
이들 형태의 센서도 비접촉 측정에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 방법은 가열 챔버가 대기압보다 낮은 압력, 바람직하게 0.5 bar 이하, 더 바람직하게 0.2 bar 이하, 가장 바람직하게 본질적으로 진공압을 포함하도록 수행된다. 이로 인해, 낮은 압력 내지 제로 압력에서의 비접촉 진동 측정을 가능하게 하기 위해 레이저 간섭계가 사용되는 것이 바람직하다. 압력을 제로로 감소시켜 측정하면 주변 노이즈가 감쇠되며, 따라서 신호-대-잡음비가 증가한다.
충격기는 충격기 액추에이터(313)에 의해 충격을 제공받을 수 있는 탄도 충격기(312)를 포함하는 것이 바람직하다. 탄도 충격기(312)는 고온을 견딜 수 있고 그 특성이 온도에 따라 크게 변화하지 않는 세라믹 막대인 것이 바람직하며, 즉 충격기는 본질적으로 열적으로 안정한 세라믹 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 이것은 이하를 포함하는 충격기 액추에이터(313)를 사용하여 시험편을 향해 위쪽으로(314) 발사될 수 있다:
- 바람직하게 수직 방향을 따라서 탄도 충격기를 안내하기 위한, 가열 챔버의 바닥을 통과하는 안내 튜브(315);
- 바람직하게 수직 충격(317)을 충격기(312)에 가하도록 구성된 전기기계적으로 작동되는 해머(316). 해머(316)는 전기 코일(318) 및 코일(318)을 통해 흐르는 전류에 따라 이동할 수 있는 가동 막대 또는 탄환(319)을 포함할 수 있다. 이러한 시스템의 일 예가 미국 특허 6,782,970 B2호에 제시되어 있으며, 본 발명에서는 충격기 액추에이터의 탄환이 시험편에 직접 충격을 가하기보다는 세라믹 충격기(312)에 충격을 가한다. 대안적으로, 충격기에 충격을 가하기 위한 압력-구동식 충격기 또는 압력-구동식 충격 액추에이터(380)가 사용될 수도 있다.
테이블의 지지 바는 충격기 및/또는 안내 튜브와 동일한 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 따라서, 지지 바는 본질적으로 열적으로 안정한 세라믹 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법의 일 실시예에서는, 교정 기간 내에 시험편으로부터 진동 신호를 포착함으로써 상기 시험 온도 범위 내에서 배경 측정을 수행하여 노이즈 신호를 취득하는 단계 b가 바람직하게 수행된다. 진동 응답의 분석을 수행할 때 환경의 배경 노이즈를 고려하면 재료 특성의 보다 양호한 결정이 이루어진다. 또한, 음향 측정에서와 동일한 시험 온도 범위에서 배경 노이즈를 고려함으로써, 발명자는 진동 응답의 훨씬 더 양호한 분석이 수행될 수 있음을 알아냈다. 이것은 예를 들어 측정을 수행하기 위해 사용되고 그 각각이 상이한 온도 범위에서 다르게 거동할 수 있는 가열 요소, 환풍기 또는 임의의 기타 장비 또는 장비 부품으로 인해 노이즈가 온도 범위에 크게 의존할 수 있기 때문이다. 이 노이즈는 시험 장비 자체로부터의 노이즈, 특히 온도에 의존할 수 있는 충격기 및/또는 충격기 액추에이터로부터의 노이즈를 포함할 수 있다는 것에 유의해야 한다.
발명자는 진동 가진을 시험편에 부여하는 것을 제외하고 음향 측정의 모든 단계를 실행하여 배경 측정이 이루어지면 최상의 결과가 달성된다는 것도 알아냈다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 배경 측정을 수행하는 단계 b는 시험편 상에 진동 가진을 부여하는 단계 c1을 제외하고 음향 측정을 수행하는 단계 c의 모든 단계를 수행하는 것을 포함한다. 이것은 전술한 방법뿐만 아니라 본 문헌과 청구범위에서 후술되는 방법의 모든 실시예에도 적용된다. 충격에 대한 음향 응답이 측정되는 각각의 온도 또는 온도 간격에서 교정 측정을 수행하면 시험 장비, 특히 충격기 및/또는 충격기 액추에이터의 온도 의존성을 고려하는 것이 가능해진다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 충격 가진 측정 시스템의 시험 챔버는 시험편을 시험 온도 범위 내로 인도하기 위한 가열 요소를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 충격 가진 측정 시스템은 시험 챔버 내에 배치된 시험편 상에 진동 가진을 부여할 때 충격기를 작동시키기 위한 충격기 액추에이터를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 충격 가진 측정 시스템은 시험 챔버, 센서 및 충격기와 관련된 제어 시스템을 포함하며, 제어 시스템은:
ㆍ선택적으로 시험편을 시험 온도 범위 내로 인도하도록 시험 챔버에 지시하며;
ㆍ시험 기간 중에, 충격기에 의해 가열 챔버 내에 배치된 시험편 상에 진동 가진이 기계적으로 부여되도록 충격 시스템에 지시하여 충격기 액추에이터로 충격기를 작동시키고, 센서로부터 상기 진동 가진에 대한 진동 응답 신호를 취득하며;
ㆍ선택적으로 교정 기간 중에, 충격기가 가열 챔버 내에 배치된 시험편 상에 진동 가진을 기계적으로 부여하지 않도록 충격 시스템에 지시하여 충격기 액추에이터로 충격기를 작동시키고, 센서로부터 노이즈 신호를 취득하며;
ㆍ바람직하게 노이즈 신호를 고려하여 진동 응답 신호를 분석함으로써 시험편의 재료 특성을 취득하도록 구성된다.
추가 태양에서, 본 발명은 시험편의 열팽창 파라미터를 취득하기 위한 열팽창 측정 방법에 관한 것이다. 이 열팽창 측정 방법은 이하의 단계를 포함한다:
- 제1 온도에서의 실험 데이터로부터 두 개 이상의 공진 주파수를 추출하는 단계,
- 상기 제1 온도에서의 상기 두 개 이상의 공진 주파수로부터 제1 치수 파라미터의 제1 값을 취득하는 단계,
- 상기 제1 측정 온도에서의 상기 제1 치수 파라미터의 상기 제1 값을 제2 온도에서의 상기 제1 치수 파라미터의 제2 값과 비교하는 단계,
- 상기 비교로부터 열팽창 파라미터를 계산하는 단계.
이로 인해 제1 온도에서의 두 개 이상의 공진 주파수는 시험편의 재료 특성이며, 이것은 전술되고 본 문헌에서 추가로 설명되는 음향 측정 방법에 의해 바람직하게 취득될 수 있다. 전술되고 본 문헌에서 추가로 설명되는 충격 가진 측정 시스템은 바람직하게 두 개 이상의 공진 주파수를 취득하기 위해 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 도시한다. 제1 단계 a에서는, 온도가 제1 온도 범위(1021) 내로 인도된다. 이후 단계 b가 수행되어(1002) 시험편 상에 충격이 제공되지 않도록(1001) 주의를 기울이고, 따라서 충격 시스템은 충격이 회피되는 방식으로 작동되는 것이 바람직하다. 이후 단계 c가 수행되어 시험편 상에 충격이 가해지고(단계 c1, 1010) 진동 응답 신호가 포착된다(단계 c2, 1020). 이후 신호가 분석되어(단계 d, 1030) E, G, v 및/또는 기타 특성(특히 붕괴 상수도)이 단계 a의 온도 범위 내에서 취득된다. 충격-회피 작동 단계(1001), 노이즈 포착 단계(1002), 충격 단계(1010) 및 응답 포착 단계(1020)는 신호가 분석되기(1030) 전에(도시된 바와 같이, 예를 들어 장치가 연속하여 작동되는 복수의 충격기를 가질 때) 반복적으로 수행될 수 있거나, 대안적으로 각각의 포착된 신호가 개별적으로 분석될 수 있다. 이로 인해, 재료 특성에 대한 보다 정확한 값을 취득하거나 및/또는 이들 재료 특성의 온도-의존성을 결정하기 위해 상이한 온도 또는 온도 범위에서의 노이즈 신호 및/또는 진동 응답 신호가 단계 d의 분석에서 조합될 수 있다.
선택된 가진 모드에 따라, 분석 단계(1030)는 특히 피크 주파수를 특정하고 전술한 것과 같은 공식을 적용함으로써 응답 스펙트럼 내의 주파수로부터 동적 영률(E) 또는 전단 계수(G)를 결정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게, 분석 단계는 붕괴 상수를 기준 값에 비교하는 단계(1040)를 추가로 포함한다. 이 단계로 인해 본 발명에 따른 방법이 품질 관리 목적으로 사용될 수 있다. 실제로, 제조 물품의 품질을 관리하는 방법은, 전술한 방법을 사용하여 제조 물품의 적어도 일부를 상기 고체 재료 샘플로서 특징짓는 단계; 붕괴 상수가 상기 기준 값의 미리 결정된 마진 내에 있으면 "합격" 조건의 신호를 보내는 단계(1040/예); 및 붕괴 상수가 상기 기준 값의 상기 미리 결정된 마진을 벗어나 있으면 "불합격" 조건을 선언하는 단계(1040/아니오)를 포함한다. 따라서, 본 발명의 일 태양에 따르면, 제조 물품의 품질을 관리하는 방법이 제공되며, 이 방법은: 전술한 방법을 사용하여 상기 제조 물품의 적어도 일부를 상기 시험편으로 특징짓는 단계; 상기 붕괴 상수가 상기 기준 값의 미리 결정된 마진 내에 있으면 "합격" 조건의 신호를 보내는 단계; 및 상기 붕괴 상수가 상기 기준 값의 상기 미리 결정된 마진을 벗어나 있으면 "불합격" 조건을 선언하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 단계 a 내지 d는 동일한 온도에서, 상이한 온도에서 또는 상이한 온도 범위 내에서 1회 초과하여, 바람직하게 반복적으로 수행된다. 바람직한 실시예에서, 시험편은 연속적으로 가열되며, 따라서 단계 a-d는 후속 온도 범위 내에서 수행된다.
예를 들어, 시험편은 실온(20℃)에서 시작하여 1℃/s의 속도로 연속적으로 가열될 수 있다. 이후 단계 a-d는 20초마다 정기적으로 수행될 수 있는데, 이는 단계 a-d의 제1 세트가 20 내지 40℃의 온도 범위에서 수행되고, 단계 a-d의 제2 세트가 40 내지 60℃의 온도 범위에서 수행되며, 추가로 예를 들어 1580 내지 1600℃의 최대 온도 범위까지 계속 수행되는 것을 의미한다. 그러나 온도 범위는 똑같이 클 필요는 없지만, 예를 들어 관심 온도 범위에 대해서는 더 작을 수도 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어 시험편이나 시험편과 동일한 재료로 제조된 부품이 주로 700 내지 800℃의 온도에서 사용될 것이라는 것을 알고 있다면, 예를 들어 5℃에 걸쳐 있는 더 작은 온도 범위를 취하여 이들 온도 사이에서 재료 특성을 보다 정확하게 측정하기로 결정할 수 있다.
보다 정확한 노이즈 신호 및/또는 진동 응답 신호를 취득하기 위해 단계 b 및/또는 c에서 수행된 측정이 다른 온도에서 단계 b 및/또는 c에서 수행된 측정과 조합될 수 있다는 것도 유의해야 한다. 예를 들어, 80℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 또한 100℃ 내지 120℃의 온도 범위에서 단계 a-d를 수행한다고 가정한다. 이로 인해 단계 b는 첫 번째로 82-87℃의 온도 서브-범위에서 실행되고 두 번째로 102-107℃의 온도 서브범위에서 실행될 수 있는 반면에, 단계 c는 첫 번째로 92-97℃의 서브범위에서 실행될 수 있다. 이러한 경우에, 단계 d에서의 분석은 단계 b를 두 번 수행하여 얻어진 두 개의 노이즈 신호를 고려하여 수행될 수 있다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 단계 a, b, c 및/또는 d는 온도 범위 내에서 2회 이상 수행된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 단계 a, b, c 및/또는 d는 중첩될 수 있는 상이한 온도 범위에서 여러 번 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 시스템은 시험편의 재료 특성을 결정하기 위해 노이즈 신호를 고려하여 진동 응답 신호를 분석하도록 구성된 처리 수단을 포함한다.
이로 인해 처리 수단은 바람직하게, 포착된 신호에 대한 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환 또는 고조파 분해를 사용하여 시간 영역에서, 더 바람직하게 주파수 영역에서 진동 응답 신호로부터 노이즈 신호를 감산하도록 구성될 수 있다. 감산은 시간 영역과 주파수 영역의 조합에서 수행될 수도 있다. 처리 수단은 시간-가변성 신호를 구성하는 정현파의 주파수 및 붕괴 상수를 결정하기 위해 시간-가변성 신호를 분석하도록 바람직하게 구성되는 바, 즉 고조파 반전 문제를 해결한다. 보다 일반적으로 소정 대역폭에서의 유한한 개수의 정현파의 합으로 구성되는 이산-시간 유한-길이 신호를 구성하는 정현파의 주파수, 붕괴 상수, 진폭 및 위상을 결정하는 것으로 구성되는 고조파 반전 문제는 문헌에서 잘 알려져 있지만, 현재까지 IET와 관련이 없다. Vladimir A. Mandelshtam과 Howard S. Taylor는 자신들의 세미나 논문인 "시간 신호의 고조파 반전 및 그 응용", The Journal of Chemical Physics 107, 6756 (1997)에서 고조파 반전 문제를 작은 행렬 대각화 중 하나로 재구성함으로써 이 문제를 해결하기 위한 Wall과 Neuhauser의 일반적인 필터 대각화 방법의 사용을 설명했다. 이 기술의 컴퓨터 기반 구현은 매사추세츠 공과 대학(MIT)의 Steven G. Johnson에 의한 "Harminv" 프로그램을 포함하여 관련 기술분야에서 알려져 있다. 분석 결과는 다른 장비에 의한 저장 또는 추가 처리를 위해 스크린(140) 또는 임의의 다른 적절한 인터페이스에 출력될 수 있다.
처리 수단은 하나 이상의 전용 하드웨어 부품(예를 들어 ASIC), 적절하게 구성된 구성 가능한 하드웨어 부품(예를 들어 FPGA), 적합한 소프트웨어가 구비된 마이크로프로세서, 또는 그 조합으로 구성될 수 있다. 동일한 부품이 다른 기능을 수행할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 시험편은 공작물, 장치 또는 장치의 부품이다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 시험편은 명확한 형상, 바람직하게 빔 형상을 가지며, 공작물, 장치 또는 장치의 부품의 동일한 재료로 제조되거나, 그것의 동일한 생산 기술을 사용하여 제조된다.
Claims (13)
- 온도 제어식 시험 챔버, 충격기, 센서 시스템 및 지지 시스템을 포함하는 충격 가진 측정 시스템이며,
충격기는 0℃ 내지 1600℃의 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 지지 시스템에 의해 지지되는 시험편에 아래로부터 충격을 제공하도록 구성되고, 센서 시스템은 충격기에 의해 시험편에 제공되는 충격에 대한 시험편의 진동 응답을 취득하도록 구성되며, 지지 시스템은 시험 챔버 내에서 고체 시험편을 지지하기 위한 베드를 포함하고, 상기 베드는 시험편의 탄성보다 상당히 큰 탄성을 가지며, 상기 베드는 충격기가 시험편에 아래로부터 충격을 제공할 수 있게 하기 위한 관통부를 추가로 포함하고,
충격기는 시험 온도에 적어도 부분적으로 의존하는 충격 높이에서 시험편에 충격을 제공하도록 구성되며,
베드는 상기 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 충격 높이와 최대 0.5mm 상이한 지지 높이에서 시험편을 지지하도록 구성되는 충격 가진 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 지지 높이는 0℃ 내지 1600℃의 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 충격 높이와 최대 0.1mm 상이한 충격 가진 측정 시스템.
- 제1항에 있어서, 충격기는 바람직하게 최대 25×10-6 K-1의 선형 팽창 계수를 갖는 열적으로 안정한 재료를 포함하는 충격 가진 측정 시스템.
- 제1항에 있어서, 충격기는 세라믹 재료를 포함하고, 따라서 바람직하게 충격기는 세라믹 재료로 제조되는 충격 가진 측정 시스템.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 베드는, 바람직하게 최대 50×10-6 K-1의 선형 팽창 계수를 갖는, 열적으로 안정한 재료를 포함하는 충격 가진 측정 시스템.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 베드는 평탄한 매트 형상을 갖는 충격 가진 측정 시스템.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 베드는 다결정 멀라이트-알루미나 울을 포함하는 충격 가진 측정 시스템.
- 제7항에 있어서, 베드는 다결정 멀라이트-알루미나 울로 제조되는 충격 가진 측정 시스템.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 베드는 실온에서 10mm 내지 50mm, 바람직하게 12.5mm 내지 25mm의 높이를 갖는 충격 가진 측정 시스템.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 시험편의 수평 이동이 핀 세트에 의해 제한되는 충격 가진 측정 시스템.
- 키트이며,
- 온도 제어식 시험 챔버, 충격기 및 센서 시스템을 포함하는 충격 가진 측정 시스템으로서, 충격기는 0℃ 내지 1600℃의 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 시험편에 아래로부터 충격을 제공하도록 구성되고, 센서 시스템은 충격기에 의해 시험편에 제공되는 충격에 대한 시험편의 진동 응답을 취득하도록 구성되며, 충격기는 시험 온도에 적어도 부분적으로 의존하는 충격 높이에서 시험편에 충격을 제공하도록 구성되는, 충격 가진 측정 시스템,
- 고체 시험편, 및
- 시험 챔버 내에서 고체 시험편을 지지하기 위한 베드를 포함하는 지지 시스템으로서, 상기 베드는 시험편의 탄성보다 상당히 큰 탄성을 가지며, 상기 베드는 충격기가 시험편에 아래로부터 충격을 제공할 수 있게 하기 위한 관통부를 추가로 포함하고, 베드는 상기 시험 온도 범위 내의 임의의 시험 온도에서 충격 높이와 최대 0.5mm 상이한 지지 높이에서 시험편을 지지하기 위한 지지면을 포함하는, 지지 시스템을 포함하는 키트. - 제11항에 있어서, 베드에 대한 시험편의 수평 이동을 제한하기 위한 핀 세트를 포함하는 키트.
- 바람직하게 0℃ 내지 1600℃의 온도 범위 내의 하나 이상의 온도에서 시험편의 재료 특성을 음향적으로 측정하기 위한 방법이며,
a. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 시스템의 시험 챔버 내의 지지 시스템 상에 시험편을 배치하고, 바람직하게 시험편을 시험 온도 범위 내로 가열하는 단계;
b. 바람직하게, 교정 기간 내에 시험편으로부터 진동 신호를 포착함으로써 바람직하게 상기 시험 온도 범위 내에서 배경 측정을 수행하여, 노이즈 신호를 취득하는 단계;
c. 바람직하게 상기 시험 온도 범위 내에서 시험 기간 내에 상기 시험편에 대한 음향 측정을 수행하는 단계로서:
c1. 시험편 상에 진동 가진을 부여하고;
c2. 시험 기간 내에 시험편의 진동 신호를 포착하여, 상기 진동 가진에 대한 진동 응답 신호를 취득함으로써, 음향 측정을 수행하는 단계, 및
d. 바람직하게 노이즈 신호를 고려하여 진동 응답 신호를 분석함으로써 시험편의 재료 특성을 취득하는 단계를 포함하는 방법.
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