WO2017209329A1 - 고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법 - Google Patents

고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring ultrasonic nonlinearity generated in a high voltage pulser, and more particularly, a technique for precisely evaluating characteristics of a material such as strength and deterioration of a material using ultrasonic waves.
  • Nonlinear elastic properties of a solid material are physical properties in which the stress acting on the molecular distance between atoms in the material exhibits a nonlinear behavior. Actually, the atomic energy of a solid material does not have a harmonic property and exhibits a non-harmonic property.
  • the damage to the material can be assessed.
  • This absolute nonlinear parameter ⁇ can be quantified as in Equation 1 below.
  • a 1 is the displacement amplitude of the fundamental wave component
  • a 2 is the displacement amplitude of the second harmonic component
  • k is the wave number
  • x is the propagation distance
  • a method widely used for measuring absolute nonlinear parameters includes a piezoelectric reception technique, which measures a displacement of ultrasonic waves transmitted through an object under test, in which the displacement amplitude corresponding to the mechanical energy transmitted through the object is measured.
  • the electrical signal is measured and the displacement amplitude of the ultrasonic wave is measured in an indirect way.
  • the piezoelectric reception technique includes harmonic measurement experiments in which a transmitter and a transducer are attached to both sides of an inspected object, and a tone burst ultrasonic signal is injected into the inspected object to measure harmonics generated in the inspected object.
  • the calibration experiment is performed with only the receiving probe.
  • I out ( ⁇ ) is obtained through a harmonic measurement experiment
  • H out ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) is obtained through a calibration experiment
  • displacement amplitudes A ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) and 2 of the fundamental frequency are obtained.
  • the displacement amplitude A ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) of the second harmonic can be found.
  • an inverse Fourier transform may be performed to calculate A 1 , which is the displacement of the fundamental frequency, and A 2 , which is the displacement amplitude of the second harmonic.
  • 1 is a diagram illustrating a harmonic measurement method.
  • the single-frequency electric energy P E, in ( ⁇ 1 ) incident on the transducer is converted into single-frequency acoustic energy P A, in ( ⁇ 1 ) and the acoustic energy propagates the material while harmonic content. This will occur.
  • the generated harmonic and fundamental frequency components of acoustic energy P A, out ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) are incident to the receiving transducer and converted into electrical energy P E, out ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ).
  • the relationship between the acoustic energy and the electrical energy of the receiver during this process can be expressed by the conversion efficiency K R ( ⁇ ), and the relationship between P A, out ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) and P E, out ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) Once established, it is expressed as Equation 3 below.
  • Equation 3 can be summarized as the relationship between the displacement amplitude A out ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) and the current I out ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) of the ultrasonic wave transmitted through the material as shown in Equations 4 and 5, From the conversion coefficient H out ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) of Equation 6 can be obtained from the displacement amplitude of the ultrasonic wave transmitted through the subject from the measured electrical signal.
  • ⁇ is the frequency
  • ⁇ 1 is the fundamental frequency
  • ⁇ 2 is the second harmonic
  • I out is the tone-burst current signal generated from the high-voltage pulser through the material in harmonic measurements
  • ⁇ is the density
  • v is the ultrasonic velocity
  • a is the area of the transducer
  • Z s is the impedance of the pulser.
  • ⁇ is the frequency
  • ⁇ 1 is the fundamental frequency
  • ⁇ 2 is the second harmonic
  • I out is the tone-burst current signal generated from the high-voltage pulser through the material in harmonic measurements
  • ⁇ is the density
  • v is the ultrasonic velocity
  • a is the area of the transducer
  • Z s is the impedance of the pulser.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a calibration measurement method.
  • Equation 8 the transfer function K R ( ⁇ ) is expressed as Equation 8 through two-port transducer modeling, and the following equation 7 is summarized using the transfer function K R ( ⁇ ).
  • Equation 9 the conversion coefficient H out ( ⁇ ) can be obtained from the transmitted and received voltage and current, and this conversion coefficient corrects the nonlinearity caused by the coupler due to the attachment of the receiving probe and converts the measured electrical signal into the ultrasonic wave amplitude. Convert to
  • I out is the tone-burst current signal generated from the high-voltage pulser and transmitted through the material in the harmonic measurement
  • Z L and Z s are the same values as the impedance of the pulser
  • I in '( ⁇ ) is the broadband pulser.
  • V in '( ⁇ ) is the voltage signal incident on the material in the broadband pulser
  • I out ' ( ⁇ ) is the current signal received after the ultrasonic wave incident on the material is reflected from the bottom of the material
  • V out '( ⁇ ) is a voltage signal received after ultrasonic waves incident on the material are reflected off the bottom of the material.
  • Prime (') in the above equation means a signal obtained in the calibration, the description of the variable is as described above.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining a method of measuring an absolute nonlinear parameter.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a calibration measurement method of a receiver
  • FIG. 3B is a diagram for describing a harmonic measurement method of a receiver.
  • the absolute nonlinear parameter is measured by the procedure according to the two steps of FIGS. 3A and 3B.
  • FIG. 3A first, a 10 MHz reception probe 20 is attached to an object under test 10, and the voltage probe 30, the current probe 40, and the oscilloscope 110 are used to V in ', V.
  • FIG. H out ( ⁇ ) is obtained by measuring the signals out ', I in ', and I out '.
  • a 5 MHz transmission probe 21 is attached to the object 10 and a tone burst signal is generated using the high voltage pulser 120.
  • the receiver receives I out ( ⁇ ), which is a tone burst signal.
  • the ultrasonic signal may be transmitted and received using the broadband ultrasonic pulser receiver 100.
  • the absolute nonlinear parameter measuring method using the conventional piezoelectric receiver method measures the current I out ( ⁇ ) in the ultrasonic receiver and converts it to displacement amplitude using the conversion factor H out ( ⁇ ) obtained through the calibration technique. This is a method for measuring nonlinear parameters of the receiver.
  • This measurement method is based on the assumption that only the fundamental frequency component exists in the ultrasonic wave incident on the material in the high voltage pulser.
  • FIG. 4 is a diagram for illustrating nonlinearity incident on a material at a transmitter.
  • the ultrasonic wave actually incident on the subject includes a harmonic component in addition to the fundamental frequency component.
  • the received ultrasonic waves include not only harmonic components generated by the material, but also harmonic components generated when transmitting the ultrasonic waves from the high voltage pulser.
  • the measured nonlinear parameters include the nonlinearity generated by the high voltage pulser in addition to the nonlinearity of the material, the nonlinear parameters of the pure material It is hard to see.
  • the present invention is to provide a method for measuring the non-linearity of the transmitted signal in consideration of the fundamental and harmonic components incident on the material in the high voltage pulser in order to overcome the above limitations.
  • the ultrasonic nonlinearity measuring method generated in the high-voltage pulser is a calibration step of the receiving unit for transmitting and receiving an ultrasonic signal to the subject to which the receiving probe is attached, the transmitting and receiving transducer A harmonic measurement step of a receiving unit for receiving a tone burst signal generated by using a high voltage pulser, and receiving a tone burst signal passing through the test object, and transmitting a tone burst signal to a test object to which a transmitter is attached.
  • a harmonic measurement step of a transmitter for receiving the transmitted tone burst signal a calibration step of a transmitter for transmitting and receiving an ultrasonic signal to and from an object to which a transmitter is attached, and a fundamental frequency and harmonic component measured by the receiver, and measured by the transmitter. Compares the fundamental and harmonic components Characterized in that it comprises the step of measuring the non-linearity of the ultrasonic inspection object.
  • the ultrasonic signal according to an embodiment of the present invention is characterized in that the transmission and reception using a wideband ultrasonic pulser receiver.
  • the harmonic measurement step of the receiving unit is characterized in that it comprises the step of additionally attaching the transmission probe to the subject to which the receiving probe is attached.
  • the harmonic measurement step of the transmitting unit is characterized in that it comprises the step of removing the receiving probe from the test object attached to the transmitting and receiving probe.
  • the calibration step of the receiver according to an embodiment of the present invention is characterized by measuring the conversion coefficient represented by the following formula (11) from the voltage and current transmitted and received by the ultrasonic signal of the receiver.
  • the calibration step of the transmitter is characterized by measuring the conversion coefficient represented by the following equation (15) from the voltage and current transmitted and received by the ultrasonic signal of the transmitter.
  • the fundamental frequency and harmonic components measured by the receiving unit according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is calculated from the following equation (16).
  • the fundamental frequency and harmonic components measured by the transmitter according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is calculated from Equation 17 below.
  • the step of measuring the ultrasonic nonlinearity of the test subject the fundamental frequency component of the subject through the difference between the fundamental frequency component measured by the receiver and the fundamental frequency component measured by the transmitter And measuring a harmonic component of the inspected object through the difference between the harmonic component measured at the receiver and the harmonic component measured at the transmitter.
  • each of the fundamental frequency component and the harmonic component of the test subject is a displacement amplitude of the fundamental frequency component and the second harmonic component
  • the absolute nonlinear parameter of the test subject is represented by Equation 18 below. It is characterized by.
  • the ultrasonic nonlinearity measuring method generated in the high-voltage pulser is a calibration step of the transmission unit for transmitting and receiving an ultrasonic signal to the test object attached to the transmitter, the transmitter attached A harmonic measurement step of a transmitter for receiving the transmitted tone burst signal, transmitting a tone burst signal to an inspected object to which a transmitting / receiving probe is attached, and a tone burst signal passing through the inspected object Harmonic measurement step of the receiving unit for receiving a, calibration step of the receiving unit for transmitting and receiving an ultrasonic signal to the test object attached to the receiving probe, the fundamental frequency and harmonic components measured by the receiver and the fundamental frequency and harmonic components measured by the transmitter is compared Ultrasonic nonlinearity of the subject under measurement And in that it comprises the steps according to claim.
  • the harmonic measurement step of the receiver is characterized in that it comprises the step of additionally attaching the receiving probe to the test subject to which the transmitting probe is attached.
  • the step of calibrating the receiving unit is characterized in that it comprises the step of removing the transmission probe from the subject to which the transmission and reception probe is attached.
  • the present invention it is possible to measure the nonlinearity generated in the high voltage pulser included in the previously measured absolute nonlinear parameter, and as a result, the pure nonlinear parameter value of the material can be quantitatively measured.
  • 1 is a diagram illustrating a harmonic measurement method.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a calibration measurement method.
  • 3A is a diagram for describing a calibration measurement method of a receiver.
  • 3B is a diagram for describing a harmonic measurement method of a receiver.
  • FIG. 4 is a diagram for illustrating nonlinearity incident on a material at a transmitter.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating in detail the ultrasonic nonlinearity measuring method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view illustrating a harmonic measurement step of the transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view illustrating a calibration method of a transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of measuring ultrasonic nonlinearity in detail according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • 9A is a diagram for describing a harmonic measurement method of a transmitter, according to an exemplary embodiment.
  • 9B is a diagram for describing a calibration measurement method of a transmitter, according to an exemplary embodiment.
  • nonlinear parameters were quantitatively measured through an absolute nonlinear parameter measuring method.
  • a measuring method is to measure the nonlinear parameters of the receiver by converting an electrical signal into displacement amplitude.
  • the nonlinear parameters measured at the receiver by the above method include not only nonlinearities of materials but also nonlinearities generated by high voltage pulsers.
  • the present invention measures the fundamental frequency component (A 1, in ) and the harmonic component (A 2, in ) incident on a material in a high voltage pulser, and thus the nonlinearity ( ⁇ in ) of the transmitted signal.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating in detail the ultrasonic nonlinearity measuring method according to an embodiment of the present invention.
  • the calibration of the receiver corresponds to a step of transmitting and receiving an ultrasonic signal to and from an inspected object to which the receiving probe is attached, and preferably, the ultrasonic signal is transmitted and received using a broadband ultrasonic pulser receiver.
  • the conversion coefficient represented by Equation 11 may be measured from a voltage and a current transmitted and received by the ultrasonic signal of the receiver.
  • ⁇ is frequency
  • ⁇ density
  • v ultrasonic velocity
  • a is the area of the transducer
  • I in '( ⁇ ) is the current signal incident on the material in the broadband pulser
  • V in ' ( ⁇ ) is the material in the broadband pulser.
  • the incident voltage signal, I out '( ⁇ ) is the current signal received after the ultrasonic wave incident on the material is reflected at the bottom of the material
  • V out ' ( ⁇ ) is the ultrasonic wave incident on the material after it is reflected at the bottom of the material. The voltage signal received.
  • the harmonic measurement step of the receiver corresponds to a step of transmitting a tone burst signal to the test object to which the transmission and reception probe is attached, and receiving a tone burst signal passing through the test object, wherein the transmission and reception probe is a transmission probe and a reception receiver. It may include a transducer.
  • the tone burst signal is preferably generated using a high voltage pulser.
  • the harmonic measurement step of the receiver may further include attaching a transmitting probe to the test object to which the receiving probe is attached, wherein the receiving probe is attached to one side of the test object and the transmitting probe is the It may be attached to the other side of the subject.
  • the harmonic measurement step of the transmitter corresponds to a step of transmitting a tone burst signal to the test object to which the transmission probe is attached and receiving the transmitted tone burst signal.
  • the harmonic measurement step of the transmitter may include removing the receiving probe from the inspected object to which the transmitting and receiving probe is attached.
  • FIG. 6 is a view illustrating a harmonic measurement step of the transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • nonlinearity is also included in the acoustic energy P A, in ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) incident on the material.
  • Equation 12 may be summarized as a relation between A ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) and current I in ( ⁇ ), which are displacement amplitudes of ultrasonic waves transmitted through a material as shown in Equation 13 below.
  • ⁇ is the frequency
  • ⁇ 1 is the fundamental frequency
  • ⁇ 2 is the second harmonic
  • ⁇ is the density
  • v is the ultrasonic velocity
  • a is the area of the transducer
  • I in is the tone generated from the high voltage pulser in the harmonic measurement and incident on the material.
  • the burst current signal, Z s is the impedance of the pulser.
  • the calibration step of the transmitter corresponds to a step of transmitting and receiving an ultrasonic signal to the subject to which the transmission probe is attached.
  • FIG. 7 is a view illustrating a calibration method of a transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • Equation 14 is obtained.
  • the conversion coefficient H in ( ⁇ ) can be obtained from the transmitted and received voltage and current as shown in Equation 15, which is obtained through calibration at the receiver. This is different from out ( ⁇ ).
  • the calibrating step of the transmitter may measure a conversion coefficient represented by Equation 15 below from a voltage and a current transmitted and received by the ultrasonic signal of the transmitter.
  • ⁇ is frequency
  • ⁇ density
  • v ultrasonic velocity
  • ⁇ is the area of the transducer
  • Z s is the impedance of the pulser.
  • This conversion factor corrects the nonlinearity caused by the coupler due to the attachment of the transmitter and converts the measured electrical signal into the displacement amplitude of the ultrasonic wave.
  • the next step of measuring the ultrasonic nonlinearity of the test subject corresponds to comparing the fundamental frequency and harmonic components measured by the receiver with the fundamental frequency and harmonic components measured by the transmitter.
  • the fundamental frequency and harmonic components measured by the receiver may be calculated from Equation 16, and Equation 16 may be calculated from Equation 13.
  • ⁇ 1 is a fundamental frequency
  • ⁇ 2 is a second harmonic
  • I out is a tone burst current signal generated from a high voltage pulser and transmitted through a material in harmonic measurement.
  • the fundamental frequency and harmonic components measured by the transmitter are calculated from Equation 17 below.
  • ⁇ 1 is the fundamental frequency
  • ⁇ 2 is the second harmonic
  • I in is the toneburst current signal generated from the high voltage pulser in the harmonic measurement and incident on the material.
  • the measuring of the ultrasonic nonlinearity of the subject may include measuring a fundamental frequency component of the subject through a difference between the fundamental frequency component measured by the receiver and the fundamental frequency component measured by the transmitter, and the harmonics measured by the receiver.
  • the harmonic component of the test object is measured by the difference between the component and the harmonic component measured by the transmitter.
  • each of the fundamental frequency component and the harmonic component of the inspected object is a displacement amplitude of the fundamental frequency component and the second harmonic component
  • the absolute nonlinear parameter of the inspected object is expressed by Equation 18 below.
  • a 1 is the displacement amplitude of the fundamental frequency component
  • a 2 is the displacement amplitude of the second harmonic component
  • k is the wave number
  • x is the propagation distance
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of measuring ultrasonic nonlinearity in detail according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic nonlinearity measuring method includes a calibration step of transmitting and receiving an ultrasonic signal to and from an inspected object with a transmitting probe, and applying a tone burst signal to the inspected object with a transmitting probe.
  • a harmonic measurement step of a transmitting unit for transmitting and receiving the transmitted tone burst signal a harmonic measurement step of transmitting a tone burst signal to an inspected object with a transmitting and receiving probe, and receiving a tone burst signal passing through the inspected object
  • an ultrasonic nonlinearity of the test object by comparing a fundamental frequency and harmonic components measured by the receiver and a fundamental frequency and harmonic component measured by the receiver and transmitting and receiving an ultrasonic signal to and from an object to which the receiver probe is attached. It may include the step of measuring.
  • the flow chart shown in FIG. 8 differs from the flow chart shown in FIG. 5 only in the order of the steps, and the contents are the same.
  • the harmonic measurement of the receiver may further include attaching a receiver to the inspected object to which the transmitter is attached, and the calibration of the receiver may include attaching the transmitter and receiver. And removing the transmitting probe from the object under test.
  • 9A and 9B are diagrams for explaining a method for measuring ultrasonic nonlinearity generated in a high voltage pulser according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is a diagram illustrating a harmonic measurement method of a transmitter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9B is a diagram illustrating a calibration measurement method of a transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • the calibration measurement method of the receiver according to an embodiment of the present invention and the harmonic measurement method of the receiver according to an embodiment of the present invention are the same as those of FIGS. 3A and 3B.
  • a receiving probe of 10 MHz is attached to one surface of a test object corresponding to a specimen.
  • LiNbO 3 a single crystal having no nonlinearity
  • An ultrasonic signal is transmitted and received to the test object to which the receiving probe is attached, and the ultrasonic signal may be transmitted and received using a wideband ultrasonic pulser receiver.
  • H out ( ⁇ ) is obtained by measuring V in ', V out ', I in ', I out ' signals using voltage probe, current probe, and oscilloscope. .
  • a 5 MHz transmission probe is attached to the other surface of the test object and a tone burst signal is generated using a high voltage pulser.
  • the tone burst signal I out may be measured through a current probe and an oscilloscope through the object under test.
  • the transmitter removes the reception probe attached to the object 10 to measure the nonlinear parameter.
  • the receiving probe is removed and a tone burst signal is transmitted using the high voltage pulser 120 to the inspected object 10 to which the transmitting probe 21 is attached, and the transmitted tone burst signal is transmitted to the current probe 40 and the oscilloscope. Can be measured via 110.
  • an ultrasonic signal is transmitted and received to the object 10 to which the transmission probe 21 is attached, and the ultrasonic signal may be transmitted and received using a broadband ultrasonic pulser receiver 100.
  • V in '', V out '', I in '', I out '' signals using voltage probe (30), current probe (40) and oscilloscope (oscilloscope, 110) Find H in ( ⁇ ).
  • the target object by comparing the magnitude of the fundamental frequency component and harmonic components measured at the transmitter and receiver It is possible to precisely measure nonlinear parameters of.
  • Embodiments of the invention include a computer readable medium containing program instructions for performing various computer-implemented operations.
  • the computer readable medium may include program instructions, local data files, local data structures, or the like, alone or in combination.
  • the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the present invention, or they may be of the kind well known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs, DVDs, magnetic-optical media such as floppy disks, and ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • Hardware devices specifically configured to store and execute the same program instructions are included.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

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Abstract

본 발명은 고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 수신부의 캘리브레이션 단계, 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 피검사체를 통과한 톤 버스트 신호를 수신하는 수신부의 고조파 측정 단계, 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 송신되는 톤 버스트 신호를 수신하는 송신부의 고조파 측정 단계, 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 송신부의 캘리브레이션 단계 및 상기 수신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분을 비교하여 상기 피검사체의 초음파 비선형성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법
본 발명은 고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파를 이용하여 재료의 강도 특성 및 열화 정도 등과 같은 재료의 특성을 정밀하게 평가하기 위한 기술이다.
고체재료의 비선형 탄성 특성은 물리적으로 재료 내 원자간 분자거리에 대한 작용 응력이 비선형적 거동을 하는데 나타나는 특성으로, 실제 고체재료의 원자 간 에너지는 조화 특성을 갖지 못하고 비조화 특성을 나타낸다.
일정한 주파수를 갖는 사인파형의 초음파가 충분한 진폭을 갖고 비조화 특성을 갖는 고체 매질 내를 전파할 경우 기본 입사 주파수를 갖는 초음파는 재료의 비선형 탄성 특성에 따라서 국부적인 위상속도의 차이로 인해 왜곡현상이 발생하게 되고, 따라서 기본 주파수의 경우 정수 배에 해당하는 고차 조화 성분이 발생한다.
재료가 손상을 받기 전후에서 조화파 성분의 크기 또는 절대 비선형 파라미터의 크기 변화를 알아내면 재료의 손상을 평가할 수 있다.
이러한 절대 비선형 파라미터(β)를 아래의 수학식 1과 같이 정량화시킬 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000001
여기서, A1은 기본파 성분의 변위 진폭, A2는 2차 고조파 성분의 변위 진폭, k는 파수, x는 전파거리이다.
초음파 비선형 파라미터의 측정을 통한 재료의 미세손상 진단 기술은 많은 연구자들에 의해 발전해왔다. 그 동안의 연구에 따르면, 재료의 크리프(creep), 피로에 의해 발생되는 전위(dislocation), 고온의 사용 환경 등에 의해 생성되는 석출물(precipitates) 등이 비선형 파라미터와 밀접한 연관성이 있음을 보여주고 있다.
종래 절대 비선형 파라미터를 측정하기 위해 많이 활용되는 방법에는 피검사체를 투과하여 수신되는 초음파의 변위를 측정하는 방법인 압전형 수신 기법이 있는데, 이는 피검사체를 투과한 기계에너지에 해당하는 변위진폭이 전기에너지에 해당하는 전기신호로 변환되는 과정을 모델링함으로써 전기신호를 측정하고 초음파의 변위진폭을 우회적인 방법으로 측정하는 것이다.
일반적으로 압전형 수신 기법은 피검사체 양쪽에 송수신 탐촉자를 부착하고 피검사체 내에 톤버스트 초음파 신호를 입사시켜 피검사체 내에서 발생한 고조파를 측정하는 고조파 측정 실험과, 피검사체와 탐촉자의 계면에서 커플런트에 의해 발생하는 비선형성을 보정하고 전기신호를 기계신호로 변환하는 전달함수를 구하기 위해 수신 탐촉자만을 붙여서 수행하는 캘리브레이션(Calibration) 실험, 이렇게 두 단계의 실험으로 진행된다.
하기 수학식 2와 같이, 고조파 측정 실험을 통해 Iout(ω)를 구하고, 캘리브레이션 실험을 통해 Hout(ω1,ω2)를 구하여 기본 주파수의 변위진폭 A(ω1,ω2)과 2차 고조파의 변위진폭 A(ω1,ω2)을 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000002
측정된 변위진폭 A(ω1,ω2)으로부터 퓨리에 역변환(inverse Fourier transform)을 수행하여, 기본 주파수의 변위인 A1과 2차 고조파의 변위진폭인 A2를 산정할 수 있다.
도 1은 고조파 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 탐촉자로 입사된 단일주파수의 전기에너지 PE,in(ω1)는 단일주파수의 음향 에너지 PA,in(ω1)로 변환되고 이러한 음향 에너지는 재료를 전파하면서 고조파 성분이 발생하게 된다.
이렇게 발생된 고조파 성분과 기본 주파수 성분의 음향에너지 PA,out(ω1,ω2)는 수신 탐촉자로 입사되어 전기에너지 PE,out(ω1,ω2)로 변환된다. 이러한 과정 중 수신부의 음향에너지와 전기에너지 관계는 변환효율 KR(ω)로 나타낼 수 있으며, PA,out(ω1,ω2)와 PE,out(ω1,ω2)의 관계를 정립하면 하기 수학식 3과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000003
상기 수학식 3은 하기 수학식 4 및 5와 같이 재료를 투과한 초음파의 변위진폭 Aout(ω1,ω2)와 전류 Iout(ω1,ω2)의 관계로 정리될 수 있으며, 이로부터 하기 수학식 6의 변환계수 Hout(ω1,ω2)를 구하면 측정된 전기신호로부터 피검사체를 투과하여 수신되는 초음파의 변위진폭을 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000004
여기서, ω는 주파수, ω1은 기본주파수, ω2는 2차 고조파, Iout은 고조파 측정에서 고전압 펄서로부터 생성되어 재료를 투과하여 수신되는 톤버스트 전류신호, ρ는 밀도, v는 초음파 속도, a는 탐촉자의 면적, Zs는 펄서의 임피던스이다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000005
[수학식 6]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000006
여기서, ω는 주파수, ω1은 기본주파수, ω2는 2차 고조파, Iout은 고조파 측정에서 고전압 펄서로부터 생성되어 재료를 투과하여 수신되는 톤버스트 전류신호, ρ는 밀도, v는 초음파 속도, a는 탐촉자의 면적, Zs는 펄서의 임피던스이다.
도 2는 캘리브레이션 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 단일 탐촉자를 시편에 부착하고 전기에너지 P'E,cal -in(ω)를 입사하여 광대역의 초음파를 발생시키면, 발생된 초음파는 재료의 저면에서 반사되고 탐촉자를 통해 다시 전기에너지 P'E,cal -out(ω)로 변환되어 수신된다. 도 2의 P'E,cal-in(ω)와 P'E,cal-out(ω)의 관계를 정립하면 하기 수학식 7과 같이 된다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000007
여기서, 전달함수 KR(ω)는 투-포트 변환기(two-port transducer) 모델링을 통해 하기 수학식 8과 같이 표현되며, 전달함수 KR(ω)를 이용하여 상기 수학식 7을 정리하면 하기 수학식 9와 같이 송수신되는 전압과 전류로부터 변환계수 Hout(ω)를 구할 수 있으며, 이 변환계수는 수신 탐촉자 부착에 따른 커플런트에 의한 비선형성을 보정하고 측정된 전기신호를 초음파의 변위진폭으로 변환한다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000008
여기서, ω는 주파수, Iout은 고조파 측정에서 고전압 펄서로부터 생성되어 재료를 투과하여 수신되는 톤버스트 전류신호, ZL과 Zs는 펄서의 임피던스로 동일한 값, Iin’(ω)은 광대역 펄서에서 재료에 입사되는 전류 신호, Vin’(ω)은 광대역 펄서에서 재료에 입사되는 전압 신호, Iout’(ω)은 재료에 입사된 초음파가 재료의 저면에서 반사된 후 수신되는 전류 신호, Vout’(ω)은 재료에 입사된 초음파가 재료의 저면에서 반사된 후 수신되는 전압 신호이다.
[수학식 9]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000009
위 수학식에서 프라임(')은 캘리브레이션에서 얻은 신호를 의미하며, 변수에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
도 3a 및 3b는 절대 비선형 파라미터의 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 구체적으로, 도 3a는 수신부의 캘리브레이션 측정 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 수신부의 고조파 측정 방법을 설명하기 위한 도면이며, 절대 비선형 파라미터는 도 3a 및 도 3b의 2단계에 따른 절차로 측정된다.
도 3a를 참조하면, 먼저 10MHz의 수신 탐촉자(20)를 피검사체(10)에 부착하고, 전압 프로브(30), 전류 프로브(40) 및 오실리스코프(110)를 이용하여 Vin', Vout', Iin', Iout' 신호를 측정하여 Hout(ω)를 구한다.
이후, 도 3b를 참조하면, 상기 피검사체(10)에 5MHz의 송신 탐촉자(21)를 부착하고 고전압 펄서(120)를 이용해 톤버스트 신호를 발생시킨다. 그리고, 수신부 에서는 톤버스트 신호인 Iout(ω)를 수신한다.
이때, 초음파 신호는 광대역의 초음파 펄서 리시버(100)를 이용하여 송수신할 수 있다.
이렇게 측정된 전류와 전압을 통해 기본 주파수의 변위진폭 A1과 2차 고조파의 변위진폭 A2를 구하고, 하기 수학식 10과 같이 절대 비선형 파라미터(βout)를 측정할 수 있다.
[수학식 10]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000010
위와 같이 종래의 압전형 수신기법을 이용한 절대 비선형 파라미터 측정 방법은 초음파 수신부에서 전류 Iout(ω)를 측정하고, 이를 캘리브레이션 기법을 통해 얻어진 변환계수 Hout(ω)를 이용하여 변위진폭으로 환산함으로써 수신부의 비선형 파라미터를 측정하는 방법이다.
이러한 측정방법은 고전압 펄서에서 재료로 입사되는 초음파에는 기본주파수 성분만 존재한다는 가정을 전제로 하는 것이다.
도 4는 송신부에서 재료에 입사되는 비선형성을 나타내기 위한 도면이다.
하지만, 도 4에서 나타나는 바와 같이, 실제로 피검사체에 입사되는 초음파에는 기본주파수 성분 이외에 고조파 성분도 포함되어 있다. 따라서, 수신되는 초음파에는 재료에 의해 발생된 고조파 성분뿐만 아니라 고전압 펄서에서 초음파를 송신할 때 발생되는 고조파 성분이 포함된다.
일반적으로 많은 연구자들은 송신 신호의 비선형성을 제거하기 위해 초음파 송신부에 필터를 장착하여 고전압 펄서에서 송신되는 고조파 성분을 제거하는 방법을 이용하고 있으나, 현재까지는 송신되는 신호의 고조파 성분을 온전히 제거하지 못하는 문제가 있다.
종래 재료의 열화 측정분야에서는 송신되는 신호의 고조파 성분을 온전히 제거하지 못하고 있으며, 이렇게 측정된 비선형 파라미터는 재료의 비선형성 이외에 고전압 펄서에 의해 발생된 비선형성이 포함된 결과이므로, 순수 재료의 비선형 파라미터라고 보기 어렵다.
그러나, 본 발명에서는 위와 같은 한계를 극복하기 위해, 고전압 펄서에서 재료에 입사되는 기본파 성분 및 고조파 성분을 고려하여 송신되는 신호의 비선형성을 측정하는 방법을 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법은 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 수신부의 캘리브레이션 단계, 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 고전압 펄서를 이용하여 발생되는 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 피검사체를 통과한 톤 버스트 신호를 수신하는 수신부의 고조파 측정 단계, 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 송신되는 톤 버스트 신호를 수신하는 송신부의 고조파 측정 단계, 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 송신부의 캘리브레이션 단계 및 상기 수신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분을 비교하여 상기 피검사체의 초음파 비선형성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초음파 신호는 광대역의 초음파 펄서 리시버를 이용하여 송수신하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 수신부의 고조파 측정 단계는 상기 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 송신 탐촉자를 추가로 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 송신부의 고조파 측정 단계는 상기 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에서 수신 탐촉자를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 수신부의 캘리브레이션 단계는, 상기 수신부의 초음파 신호에 의해 송수신되는 전압과 전류로부터 하기 수학식 11로 표현되는 변환계수를 측정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000011
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 송신부의 캘리브레이션 단계는, 상기 송신부의 초음파 신호에 의해 송수신되는 전압과 전류로부터 하기 수학식 15로 표현되는 변환계수를 측정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 15]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000012
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 수신부에서 측정된 기본 주파수 및 고조파 성분은 하기 수학식 16으로부터 산출되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 16]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000013
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 송신부에서 측정된 기본 주파수 및 고조파 성분은 하기 수학식 17로부터 산출되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 17]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000014
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 피검사체의 초음파 비선형을 측정하는 단계는, 상기 수신부에서 측정된 기본 주파수 성분과 상기 송신부에서 측정된 기본 주파수 성분의 차이를 통해 상기 피검사체의 기본 주파수 성분을 측정하고, 상기 수신부에서 측정된 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정된 고조파 성분의 차이를 통해 상기 피검사체의 고조파 성분을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 피검사체의 기본 주파수 성분 및 고조파 성분 각각은 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분의 변위 진폭이고, 상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터는 하기 수학식 18로 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 18]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000015
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법은 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 송신부의 캘리브레이션 단계, 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 송신되는 톤 버스트 신호를 수신하는 송신부의 고조파 측정 단계, 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 피검사체를 통과한 톤 버스트 신호를 수신하는 수신부의 고조파 측정 단계, 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 수신부의 캘리브레이션 단계, 상기 수신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분을 비교하여 상기 피검사체의 초음파 비선형성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 수신부의 고조파 측정 단계는 상기 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 수신 탐촉자를 추가로 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 수신부의 캘리브레이션 단계는 상기 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에서 송신 탐촉자를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 기존에 측정된 절대 비선형 파라미터에 포함된 고전압 펄서에서 발생하는 비선형성을 측정할 수 있으며, 결과적으로 재료의 순수 비선형 파라미터 값을 정량적으로 측정할 수 있다.
그 결과 산업구조재의 품질 관리 및 안전 관리를 위한 재료의 강도 변화 및 열화 여부를 현장에서 정밀하게 진단함으로써 산업구조물 및 첨단부품소재의 잠재적 파손위험성을 사전에 진단하여 효과적인 구조물 및 소재의 건전성 유지 관리를 실현할 수 있다.
도 1은 고조파 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 캘리브레이션 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3a는 수신부의 캘리브레이션 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 수신부의 고조파 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 송신부에서 재료에 입사되는 비선형성을 나타내기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형성 측정방법을 상세히 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 고조파 측정 단계를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 캘리브레이션 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 비선형성 측정방법을 상세히 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 고조파 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 캘리브레이션 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
*도면 중 주요 부호에 대한 설명*
10: 피검사체
20: 수신 탐촉자
21: 송신 탐촉자
30: 전압 프로브
40: 전류 프로브
100: 펄서 리시버
110: 오실리스코프
120: 고전압 펄서
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
종래 재료의 열화를 정량적으로 평가하기 위해 절대 비선형 파라미터 측정 방법을 통해 비선형 파라미터를 정량적으로 측정하였으나, 이러한 측정 방법은 수신부에서 전기신호를 변위진폭으로 환산하여 수신부의 비선형 파라미터를 측정하는 것이다.
하지만, 위 방법을 통해 수신부에서 측정되는 비선형 파라미터는 재료의 비선형성 이외에 고전압 펄서에서 생성되는 비선형성 또한 포함하게 된다.
이러한 종래기술의 문제점을 보완하기 위해 본 발명에서는 고전압 펄서에서 재료에 입사되는 기본 주파수 성분(A1,in) 및 고조파 성분(A2,in)을 측정하여 송신되는 신호의 비선형성(βin)을 측정하는 방법을 제안하고자 한다.
이를 위해 이하에서는 송신된 신호에서 고조파 측정과 캘리브레이션 방법을 송신부에서 전기신호로 초음파의 변위진폭을 측정하는 새로운 수직적 모델링을 제안한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형성 측정방법을 상세히 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 수신부의 캘리브레이션 단계는 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 단계에 해당하며, 상기 초음파 신호는 광대역의 초음파 펄서 리시버를 이용하여 송수신하는 것이 바람직하다.
상기 수신부의 캘리브레이션 단계는, 상기 수신부의 초음파 신호에 의해 송수신되는 전압과 전류로부터 하기 수학식 11로 표현되는 변환계수를 측정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000016
여기서, ω는 주파수, ρ는 밀도, v는 초음파 속도, a는 탐촉자의 면적, Iin’(ω)은 광대역 펄서에서 재료에 입사되는 전류 신호, Vin’(ω)은 광대역 펄서에서 재료에 입사되는 전압 신호, Iout’(ω)은 재료에 입사된 초음파가 재료의 저면에서 반사된 후 수신되는 전류 신호, Vout’(ω)은 재료에 입사된 초음파가 재료의 저면에서 반사된 후 수신되는 전압 신호이다.
그 다음 단계인 수신부의 고조파 측정 단계는 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 피검사체를 통과한 톤 버스트 신호를 수신하는 단계에 해당하며, 상기 송수신 탐촉자는 송신 탐촉자 및 수신 탐촉자를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 톤 버스트 신호는 고전압 펄서를 이용하여 발생되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수신부의 고조파 측정 단계는 상기 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 송신 탐촉자를 추가로 부착하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 수신 탐촉자는 상기 피검사체의 일측면에 부착되고 상기 송신 탐촉자는 상기 피검사체의 타측면에 부착될 수 있다.
그 다음 단계인 송신부의 고조파 측정 단계는 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 송신되는 톤 버스트 신호를 수신하는 단계에 해당한다.
여기서, 상기 송신부의 고조파 측정 단계는 상기 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에서 수신 탐촉자를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 고조파 측정 단계를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
기존 절대 비선형 측정 방법에서는 송신 탐촉자로 입사되는 전기에너지에 초음파의 비선형성이 없다고 가정하지만, 도 6을 참조하면, 일반적으로 송신되는 전기에너지 PE,in(ω1,ω2)에는 비선형성이 존재한다.
따라서, 재료에 입사되는 음향에너지 PA,in(ω1,ω2)에도 비선형성이 포함된다.
상기 전기에너지와 상기 음향에너지의 관계를 변환효율 KR(ω)로 정리하면 하기 수학식 12와 같다.
[수학식 12]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000017
상기 수학식 12는 하기 수학식 13과 같이 재료를 투과한 초음파의 변위진폭인 A(ω1,ω2)과 전류 Iin(ω)의 관계로 정리될 수 있다.
[수학식 13]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000018
여기서, ω는 주파수, ω1은 기본주파수, ω2는 2차 고조파, ρ는 밀도, v는 초음파 속도, a는 탐촉자의 면적, Iin는 고조파 측정에서 고전압 펄서로부터 생성되어 재료에 입사되는 톤버스트 전류신호, Zs는 펄서의 임피던스이다.
그 다음 단계인 송신부의 캘리브레이션 단계는 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 단계에 해당한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 캘리브레이션 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
단일 탐촉자를 시편에 부착하고 전기에너지 PE,cal -in(ω)를 입사하여 광대역의 초음파를 발생시키면, 발생된 초음파는 재료의 저면에서 반사되고 탐촉자를 통해 다시 전기에너지 PE,cal-out(ω)로 변환되어 수신된다.
도 7의 PE,cal -in(ω)와 PE,cal -out(ω)의 관계를 정립하면 하기 수학식 14와 같이 된다.
[수학식 14]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000019
이 관계식을 투-포트 변환기(two-port transducer) 모델링을 통해 정리하면 하기 수학식 15와 같이 송수신되는 전압과 전류로부터 변환계수 Hin(ω)를 구할 수 있으며, 이는 수신부에서 캘리브레이션을 통해 구한 Hout(ω)와는 다른 값이다.
상기 송신부의 캘리브레이션 단계는, 상기 송신부의 초음파 신호에 의해 송수신되는 전압과 전류로부터 하기 수학식 15로 표현되는 변환계수를 측정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 15]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000020
여기서, ω는 주파수, ρ는 밀도, v는 초음파 속도, α는 탐촉자의 면적, Zs는 펄서의 임피던스이다.
이 변환계수는 송신 탐촉자 부착에 따른 커플런트에 의한 비선형성을 보정하고 측정된 전기신호를 초음파의 변위진폭으로 변환한다.
그 다음 단계인 상기 피검사체의 초음파 비선형성을 측정하는 단계는 상기 수신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분와 상기 송신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분을 비교하는 단계에 해당한다.
상기 수신부에서 측정된 기본 주파수 및 고조파 성분은 하기 수학식 16으로부터 산출되는 것을 특징으로 하며, 하기 수학식 16은 상기 수학식 13으로부터 산출될 수 있다.
[수학식 16]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000021
여기서, ω1은 기본주파수, ω2는 2차 고조파, Iout은 고조파 측정에서 고전압 펄서로부터 생성되어 재료를 투과하여 수신되는 톤버스트 전류신호이다.
상기 송신부에서 측정된 기본 주파수 및 고조파 성분은 하기 수학식 17로부터 산출되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 17]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000022
여기서, ω1은 기본주파수, ω2는 2차 고조파, Iin은 고조파 측정에서 고전압 펄서로부터 생성되어 재료에 입사되는 톤버스트 전류신호이다.
상기 피검사체의 초음파 비선형을 측정하는 단계는, 상기 수신부에서 측정된 기본 주파수 성분과 상기 송신부에서 측정된 기본 주파수 성분의 차이를 통해 상기 피검사체의 기본 주파수 성분을 측정하고, 상기 수신부에서 측정된 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정된 고조파 성분의 차이를 통해 상기 피검사체의 고조파 성분을 측정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 피검사체의 기본 주파수 성분 및 고조파 성분 각각은 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분의 변위 진폭이고, 상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터는 하기 수학식 18로 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 18]
Figure PCTKR2016005935-appb-I000023
여기서, A1은 기본 주파수 성분의 변위 진폭, A2는 2차 고조파 성분의 변위 진폭, k는 파수, x는 전파거리이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 비선형성 측정방법을 상세히 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 비선형성 측정방법은 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 송신부의 캘리브레이션 단계, 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 송신되는 톤 버스트 신호를 수신하는 송신부의 고조파 측정 단계, 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 피검사체를 통과한 톤 버스트 신호를 수신하는 수신부의 고조파 측정 단계, 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 수신부의 캘리브레이션 단계 및 상기 수신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분을 비교하여 상기 피검사체의 초음파 비선형성을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
도 8에 도시한 흐름도는, 도 5에 도시한 흐름도와 비교하여 각 단계의 순서가 다를 뿐, 내용은 동일하다.
각 단계의 순서가 달라짐에 따라, 상기 수신부의 고조파 측정 단계는 상기 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 수신 탐촉자를 추가로 부착하는 단계를 포함할 수 있고, 수신부의 캘리브레이션 단계는 상기 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에서 송신 탐촉자를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 9a 및 도 9b 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 고조파 측정 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 캘리브레이션 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수신부의 캘리브레이션 측정 방법과, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부의 고조파 측정 방법은 상기 도 3a 및 도 3b와 동일하다.
도 3a를 참조하면, 먼저 시편(specimen)에 해당하는 피검사체의 일면에 10MHz의 수신 탐촉자를 부착한다. 수신 탐촉자에는 비선형성이 없는 단결정인 LiNbO3를 사용하였다.
상기 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는데, 상기 초음파 신호는 광대역의 초음파 펄서 리시버(Pulser receiver)를 이용하여 송수신할 수 있다.
전압 프로브(Voltage probe), 전류 프로브(Current probe) 및 오실리스코프(oscilloscope)를 이용하여, Vin', Vout', Iin', Iout' 신호를 측정하여 Hout(ω)를 구한다.
도 3b를 참조하면, 상기 피검사체의 타면에 5MHz의 송신 탐촉자를 부착하고 고전압 펄서를 이용해 톤 버스트 신호(tone burst signal)를 발생시킨다.
상기 톤 버스트 신호(Iout)는 상기 피검사체를 통과하여 전류 프로브 및 오실리스코프를 통해 측정될 수 있다.
도 9a를 참조하면, 송신부에서 비선형 파라미터를 측정하기 위해 상기 피검사체(10)에 부착된 수신 탐촉자를 제거한다.
상기 수신 탐촉자가 제거되고 송신 탐촉자(21)가 부착된 피검사체(10)에 고전압 펄서(120)를 이용해 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 송신되는 톤 버스트 신호는 전류 프로브(40) 및 오실리스코프(110)를 통해 측정될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 상기 송신 탐촉자(21)가 부착된 피검사체(10)에 초음파 신호를 송수신하는데, 상기 초음파 신호는 광대역의 초음파 펄서 리시버(Pulser receiver,100)를 이용하여 송수신할 수 있다.
전압 프로브(Voltage probe,30), 전류 프로브(Current probe,40) 및 오실리스코프(oscilloscope,110)를 이용하여, Vin'', Vout'', Iin'', Iout'' 신호를 측정하여 Hin(ω)를 구한다.
이렇게 측정된 전류와 전압을 통해 송신부와 수신부에서 기본주파수의 변위진폭 A1과 2차 고조파의 변위 진폭 A2를 구하고, 송신부와 수신부에서 측정된 기본주파수 성분과 고조파 성분의 크기를 비교함으로써 피검사체의 비선형 파라미터를 정밀하게 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 수신부의 캘리브레이션 단계;
    송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 고전압 펄서를 이용하여 발생되는 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 피검사체를 통과한 톤 버스트 신호를 수신하는 수신부의 고조파 측정 단계;
    송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 송신되는 톤 버스트 신호를 수신하는 송신부의 고조파 측정 단계;
    송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 송신부의 캘리브레이션 단계; 및
    상기 수신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분을 비교하여 상기 피검사체의 초음파 비선형성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 신호는 광대역의 초음파 펄서 리시버를 이용하여 송수신하는 것을 특징으로 하는 고전압 펄서에서 발생되는 초음파 비선형성 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신부의 고조파 측정 단계는 상기 수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 송신 탐촉자를 추가로 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송신부의 고조파 측정 단계는 상기 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에서 수신 탐촉자를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수신부의 캘리브레이션 단계는,
    상기 수신부의 초음파 신호에 의해 송수신되는 전압과 전류로부터 하기 수학식 11로 표현되는 변환계수를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
    [수학식 11]
    Figure PCTKR2016005935-appb-I000024
    여기서, ω는 주파수, ρ는 피검사체의 밀도, v는 초음파 속도, a는 탐촉자의 면적, Iin’(ω)은 광대역 펄서에서 재료에 입사되는 전류 신호, Vin’(ω)은 광대역 펄서에서 재료에 입사되는 전압 신호, Iout’(ω)은 재료에 입사된 초음파가 재료의 저면에서 반사된 후 수신되는 전류 신호, Vout’(ω)은 재료에 입사된 초음파가 재료의 저면에서 반사된 후 수신되는 전압 신호임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송신부의 캘리브레이션 단계는,
    상기 송신부의 초음파 신호에 의해 송수신되는 전압과 전류로부터 하기 수학식 15로 표현되는 변환계수를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
    [수학식 15]
    Figure PCTKR2016005935-appb-I000025
    여기서, ω는 주파수, ρ는 밀도, v는 초음파 속도, α는 탐촉자의 면적, Zs는 펄서의 임피던스임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수신부에서 측정된 기본 주파수 및 고조파 성분은 하기 수학식 16으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
    [수학식 16]
    Figure PCTKR2016005935-appb-I000026
    여기서, ω1은 기본주파수, ω2는 2차 고조파, Iout은 고조파 측정에서 고전압 펄서로부터 생성되어 재료를 투과하여 수신되는 톤버스트 전류신호임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 송신부에서 측정된 기본 주파수 및 고조파 성분은 하기 수학식 17로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
    [수학식 17]
    Figure PCTKR2016005935-appb-I000027
    여기서, ω1은 기본주파수, ω2는 2차 고조파, Iin은 고조파 측정에서 고전압 펄서로부터 생성되어 재료에 입사되는 톤버스트 전류신호임.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 피검사체의 초음파 비선형을 측정하는 단계는,
    상기 수신부에서 측정된 기본 주파수 성분과 상기 송신부에서 측정된 기본 주파수 성분의 차이를 통해 상기 피검사체의 기본 주파수 성분을 측정하고,
    상기 수신부에서 측정된 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정된 고조파 성분의 차이를 통해 상기 피검사체의 고조파 성분을 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피검사체의 기본 주파수 성분 및 고조파 성분 각각은 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분의 변위 진폭이고,
    상기 피검사체의 절대 비선형 파라미터는 하기 수학식 18로 표현되는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
    [수학식 18]
    Figure PCTKR2016005935-appb-I000028
    여기서, A1은 기본 주파수 성분의 변위 진폭, A2는 2차 고조파 성분의 변위 진폭, k는 파수, x는 전파거리임.
  11. 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 송신부의 캘리브레이션 단계;
    송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 송신되는 톤 버스트 신호를 수신하는 송신부의 고조파 측정 단계;
    송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 톤 버스트 신호를 송신하고, 상기 피검사체를 통과한 톤 버스트 신호를 수신하는 수신부의 고조파 측정 단계;
    수신 탐촉자가 부착된 피검사체에 초음파 신호를 송수신하는 수신부의 캘리브레이션 단계;
    상기 수신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분과 상기 송신부에서 측정되는 기본 주파수 및 고조파 성분을 비교하여 상기 피검사체의 초음파 비선형성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수신부의 고조파 측정 단계는 상기 송신 탐촉자가 부착된 피검사체에 수신 탐촉자를 추가로 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 수신부의 캘리브레이션 단계는 상기 송수신 탐촉자가 부착된 피검사체에서 송신 탐촉자를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 비선형성 측정 방법.
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