WO2019117448A1 - 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치 - Google Patents

복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치 Download PDF

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WO2019117448A1
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piezoelectric element
phased array
ultrasonic signal
transducer
ultrasonic
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박춘수
홍세원
이영호
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한국표준과학연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a linear and nonlinear composite multi-frequency ultrasound phased array imaging apparatus.
  • Nondestructive inspection is a method of inspecting the integrity or surface condition of a workpiece in the manufacturing field without modification or breakage of the workpiece.
  • Methods of nondestructive inspection include liquid penetration method, magnetic test method, acoustic radiation method, acoustic impact method, radiation transmission method, eddy current tearing method, thermal test method and holography technique.
  • Ultrasonic test method is also one of the nondestructive test methods.
  • the ultrasonic inspection method is a method of inspecting the inside of a subject by transmitting ultrasonic waves to the inside of the subject and then receiving ultrasonic waves reflected from the inside of the subject and imaging the ultrasonic waves to be used for inspecting the inside of the human body
  • the workpiece can be inspected in the same manner, and it is widely used in recent industrial fields to determine whether there is a defect in the workpiece and what kind of defect is present if there is a defect.
  • a device called a transducer which transmits and receives an ultrasonic wave is essentially used.
  • the transducer includes a piezoelectric element for transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • the transducer may be a linear array transducer, a curvilinear array transducer, an annular array transducer, or a two- array transducer, and a transducer of a phased array transducer is a concept including all of them.
  • piezoelectric elements having the same resonance frequency are used for a single phase-shift transducer.
  • piezoelectric elements having the same resonance frequency are used, only images of the same resolution can be generated. It is often the case that it is limited by the type or size, and it may occur that it can not be detected in the linear phased array image.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a multi-frequency ultrasound phantom array imaging apparatus using a piezoelectric element having various kinds of resonance frequencies,
  • the present invention provides a composite multifrequency ultrasound phantom array imaging apparatus that generates images and enables measurement of various types of defects formed inside the inspected object.
  • an apparatus for multi-frequency multi-frequency ultrasound phantom array imaging comprising: a phased array ultrasound system configured to transmit a phased array ultrasound signal to a subject, receive ultrasound signals reflected from a subject, And a second piezoelectric element having a resonance frequency lower than that of the first piezoelectric element, the method comprising the steps of: applying an operation signal to the transducer so that the first piezoelectric element and the second piezoelectric element A control unit for controlling the operation of the piezoelectric element, and a portable imaging unit for calculating an operation signal applied by the control unit and an ultrasonic signal received by the transducer as a delay-sum for a phased array image, .
  • a plurality of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged in a predetermined pattern.
  • first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged so as to cross each other.
  • the resonance frequency of the first piezoelectric element is an integral multiple of the resonance frequency of the second piezoelectric element.
  • the controller may be configured to apply an operation signal to the transducer so as to transmit and receive ultrasound signals using only one of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element.
  • the controller may apply an operation signal to the transducer to transmit an ultrasonic signal in one of the first piezoelectric element or the second piezoelectric element, receive an ultrasonic signal reflected from another piezoelectric element not transmitting the ultrasonic signal And a control unit.
  • the portable imaging unit transmits an ultrasonic signal in the first piezoelectric element and outputs a harmonic phased array image when receiving the ultrasonic signal in the second piezoelectric element.
  • the portable imaging unit may transmit an ultrasonic signal in the second piezoelectric element, and output an ultrasonic phased array image when receiving the ultrasonic signal in the first piezoelectric element.
  • ultrasonic waves are transmitted and received using only one of the first and second piezoelectric elements having different resonance frequencies, It is possible to output a test image of a test object having different resolutions and to test various kinds of defects.
  • ultrasonic waves are transmitted from a first piezoelectric element having a high resonance frequency
  • ultrasonic waves reflected from a subject are received by a second piezoelectric element having a low resonance frequency
  • nonlinear harmonic test It is possible to output various kinds of defects which can not be detected by the linear imaging technique.
  • an ultrasonic wave is transmitted from a second piezoelectric element having a low resonance frequency
  • an ultrasonic wave reflected from the inspected object is received by a first piezoelectric element having a high resonance frequency, and a low- It is possible to output various kinds of defects which can not be detected by the linear imaging technique.
  • FIG. 1 is a schematic view of a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic view of a transducer according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a first mode of operation of a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a second mode of operation of a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a third mode of operation of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a fourth mode of operation of the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 schematically shows a first embodiment of the present invention.
  • a complex multi-frequency ultrasound phantom array imaging apparatus may include a transducer 100, a controller (not shown), and a portable imaging unit 200 .
  • the transducer 100 shown in FIG. 1 transmits a phased array ultrasonic signal to a subject and receives an ultrasonic signal reflected from the subject. That is, the transducer 100 abuts or contacts the subject. 1, the transducer 100 has a rectangular parallelepiped shape, but the present invention is not limited thereto, and the transducer may have various shapes depending on the subject of the subject.
  • Fig. 2 shows an exploded view of the inside of the transducer 100.
  • the transducer 100 may include an acoustic lens 110, a front match layer 120, a vibrator portion 130, and a back layer 140.
  • the acoustic lens 110, the front surface matching layer 120, and the rear surface layer 140 shown in FIG. 2 are included in a conventional phased array type transducer, and will be briefly described below.
  • the vibrator portion 130 which is a feature of the embodiment, will be described in detail.
  • the acoustic lens 110 is provided to minimize the loss of ultrasonic waves transmitted through the acoustic lens 110 and may be formed of various materials.
  • the acoustic lens 110 which is in contact with or adjacent to the inspected object, is formed of a soft material and deformed according to the curvature of the surface of the inspected object, so that it can correspond to various shapes of the inspected object.
  • the front matching layer 120 is positioned between the acoustic lens 110 and the vibrator portion 130 to match the acoustic impedance between the vibrator portion 130 and the inspected object so that ultrasonic waves generated in the vibrator portion 130 Thereby reducing the loss of the reflected signal that is transmitted or reflected by the subject. That is, the front matching layer 120 serves as a kind of buffer that solves image distortion due to a sudden change in acoustic impedance between the vibrator 130 and the inspected object.
  • the front matching layer 120 may be formed on each of the piezoelectric elements included in the vibrator portion 130.
  • the back layer 140 is formed on the outer side of the vibrator portion 130 so that the acoustic impedance can easily match with the vibrator portion 130 and can have a sound absorption characteristic.
  • the vibrator portion 130 is a portion in which ultrasonic waves are transmitted and received
  • the vibrator portion 130 may be composed of vibrators that transmit and receive ultrasonic waves in various ways.
  • the vibrators included in the vibrator portion 130 are shown in FIG. And may be formed of a first piezoelectric element 131 and a second piezoelectric element 132 as shown in FIG. That is, in the first embodiment of the present invention, the vibrator and the piezoelectric element are the same, but the kind of the vibrator is not limited to the piezoelectric element.
  • the resonance frequencies of the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132 are different from each other. More specifically, the resonance frequency f1 of the first piezoelectric element 131 is greater than the resonance frequency f2 of the second piezoelectric element 132, and the resonance frequency f1 can be a positive integer multiple of the resonance frequency f2.
  • the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132 are arranged so as to cross each other, but the present invention is not limited thereto, and the first piezoelectric element 131 And the second piezoelectric element 132 may be disposed.
  • the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132 are formed, two first piezoelectric elements 131 are arranged successively and two second piezoelectric elements 132 are arranged one after the other The pattern to be disposed can be repeated.
  • a protective film 133 is formed between the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132 to prevent peeling or cracking due to repeated deformation.
  • the protective film 133 may be formed of a polymer material, And may be formed integrally with the back layer.
  • a wire 134 is formed in the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132, respectively.
  • the wire 134 is for transmitting / receiving an operation signal and an ultrasonic signal to / from the control unit, and can be physically connected to the control unit.
  • the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132 have different resonance frequencies and may have different sizes (heights based on the drawing).
  • the rear layer 140 has a protrusion protruded toward the piezoelectric element, a first piezoelectric element 131 is inserted between the protrusions, and a protruding surface of the protrusion and one surface of the second piezoelectric element 132 Can reach.
  • the control unit applies an operation signal to the transducer 100 to control the operation of the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132.
  • the operation signal applied from the control unit to the transducer 100 is to transmit ultrasonic waves to the first piezoelectric element 131 or the second piezoelectric element 132 through the first piezoelectric element 131 or the second piezoelectric element 132, And to receive ultrasonic waves reflected from the body of the subject by the ultrasonic transducer 132.
  • the control unit may be implemented as an embedded printed circuit board (PCB) or software installed inside the portable imaging unit 200, which will be described later.
  • PCB printed circuit board
  • the portable imaging unit 200 is connected to the transducer 100 and receives an operation signal applied to the transducer 100 from the control unit and an ultrasonic signal received from the transducer 100 to generate a delay- (Delay-Sum) and outputs it as a phased array image.
  • the portable imaging unit 200 may include a computing device and a program for computing a phased array image, and a display may be formed on an outer surface for outputting the image.
  • FIGS. 3 to 6 schematically show the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132 included in the transducer and the control unit connected to the respective piezoelectric elements.
  • the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132 are shown to have different sizes in FIG. 2, for convenience, the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132
  • the first piezoelectric element 131 is hatched and the second piezoelectric element 132 is divided into a vertical line and a second line.
  • ultrasonic waves are transmitted and received using only the first piezoelectric element 131 to generate a linear ultrasonic phantom array image.
  • the control unit 300 applies an operation signal to the first piezoelectric element 131 to excite it and the first piezoelectric element 131 transmits the ultrasonic signal to the subject 10 .
  • the ultrasonic signal applied to the first piezoelectric element 131 may have a constant phase difference.
  • the ultrasonic signal transmitted from the first piezoelectric element 131 is transmitted through the inside of the inspected body 10 and then reflected at the boundary surface of the inspected object (the end of the inspected object), and the reflected ultrasonic signal is transmitted from the first piezoelectric element 131
  • the control unit 300 transmits the received ultrasonic signal to the portable imaging unit 200 and the portable imaging unit 200 transmits the ultrasonic signal to the portable imaging unit 200 and the ultrasonic signal received by the first piezoelectric element 131 Generates and outputs a phased array image with reference to an operation signal.
  • the phased array image generated and output by the portable imaging unit 200 is a linear phased array image.
  • the second operation example shown in FIG. 4 is a method of transmitting and receiving ultrasonic waves using only the second piezoelectric element 132 and outputting a linear ultrasonic phantom array image, as in the first operation example.
  • linear ultrasound phantom array images can be generated using only the first piezoelectric element 131 or the second piezoelectric element 132 having different resonance frequencies. Since the resonance frequency of the first piezoelectric element 131 is higher than the resonance frequency of the second piezoelectric element 132, in the case of the linear ultrasonic phantom array image made using the first piezoelectric element 131, The axial resolution (resolution in the vertical direction with reference to FIGS. 3 and 4) is improved, but the propagation distance itself is shorter than that of the linear ultrasonic phased array image made by using the linear ultrasonic phased array image.
  • the third embodiment of the present invention shown in FIG. 5 generates a nonlinear ultrasonic phantom array image using both the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132.
  • the control unit 300 applies an operation signal to the first piezoelectric element 131 to excite the first piezoelectric element 131, and the first piezoelectric element 131 transmits the ultrasonic signal to the first piezoelectric element 131.
  • the ultrasonic signal applied to the first piezoelectric element 131 may have a constant phase difference as in the first and second embodiments, but the present invention is not limited thereto.
  • the ultrasonic signal transmitted from the first piezoelectric element 131 is transmitted through the inside of the inspected object 10 and then reflected at the interface (end of the inspected object) of the inspected object 10.
  • the control unit 300 applies an operation signal to the ultrasonic wave signal reflected from the boundary surface of the inspected object 10 at the second piezoelectric transducing unit 132 and transmits the operation signal to the portable imaging unit 200. Since the resonance frequency f1 of the first piezoelectric element 131 is n times the resonance frequency f2 of the second piezoelectric element 132 (n is a positive integer), the ultrasonic signals received by the second piezoelectric element 132 are n-th order It becomes a harmonic signal.
  • the harmonic signal received by the second piezoelectric element 132 is transmitted to the portable imaging unit 200 and the portable imaging unit 200 receives the ultrasonic signal from the ultrasonic signal received by the first piezoelectric element 131 And outputs the nonlinear harmonic phased array image with reference to the operation signal.
  • the harmonic phased array image there is an effect of detecting a crack that can not be detected in the general linear phased array image.
  • the nonlinear harmonic phased array image the inner material of the structure is deformed by external force or stress , It is possible to detect minute changes in these materials.
  • the fourth operation example of the present invention shown in FIG. 6 generates a nonlinear ultrasonic phantom array image using both the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132.
  • the fourth operation example of the present invention is an operation example of generating a nonlinear low harmonic phase array image as opposed to the third operation example.
  • both the first piezoelectric element 131 and the second piezoelectric element 132 are used in the same manner as in the third operation example, and the piezoelectric element and the piezoelectric element are used in reverse.
  • the control unit 300 transmits an operation signal to the second piezoelectric element 132 to transmit the ultrasonic signal to the subject 10, and outputs the operation signal to the first piezoelectric element 131.
  • the portable imaging unit 200 can generate and output the nonlinear low-frequency phased array image through the received n-order low harmonic wave signal.
  • the subchannel phased array image is also effective in detecting cracks that can not be detected in a general linear phased array image, as in the case of a subwavelength phased array image.
  • the ultrasound transmits the closed defect in the linear image in many cases.
  • the ultrasonic signal can be reflected in the ultrasonic wave, and the closed defect can be detected.
  • the piezoelectric elements that transmit ultrasonic signals can be sequentially excited to transmit the ultrasonic signals, or simultaneously transmit the ultrasonic signals through the excited parallel exciters, and at the same time, It is possible to generate a stronger ultrasonic signal when excited.
  • the third operation example and the fourth operation example acquire the nonlinear bass phasing array image, it is necessary to generate a stronger ultrasonic signal. Therefore, in the case of the third operation example and the fourth operation example, after acquiring a signal using only the parallel excitation which simultaneously excites one type of piezoelectric element among the crossed arrayed piezoelectric elements, And a non-linear low-frequency phased array image can be obtained in a time delayed and summed manner.
  • the present invention may further comprise a bandpass filter provided between the portable imaging unit and the piezoelectric element for receiving the ultrasonic signal reflected from the interface between the first and second piezoelectric elements.
  • the multi-frequency multi-frequency ultrasonic phantom array imaging apparatus has the same configuration as that of the first embodiment, except that the vibrator included in the vibrator unit, that is, the configuration of the piezoelectric element is different. Therefore, in the second embodiment of the present invention, the piezoelectric element included in the oscillator portion will be mainly described, and the configurations not described below are regarded as the same as the first and second embodiments.
  • the vibrator unit includes first to third piezoelectric elements having different resonance frequencies.
  • the resonance frequency of the first piezoelectric element is f1
  • the resonance frequency of the second piezoelectric element is f2
  • the resonance frequency of the third piezoelectric element is f3
  • f1 may be a positive integer multiple of f2
  • the first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the third piezoelectric element can be sequentially and repeatedly arranged, and it is possible to arrange only one of the first piezoelectric element, the second piezoelectric element and the third piezoelectric element And receiving ultrasound signals reflected from the subject by the remaining piezoelectric elements to obtain a harmonic signal and a low harmonic signal together.
  • a first harmonics signal is obtained in the first piezoelectric element and a harmonics signal is obtained in the third piezoelectric element, and a second harmonic image and a second harmonic image
  • a second harmonic signal and a fourth harmonic signal can be obtained.

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Abstract

본 발명은 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치에 관한 것으로, 피검체로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 피검체에서 반사되는 초음파 신호를 수신하며, 공진주파수가 높은 제1압전소자와 상기 제1압전소자보다 공진주파수가 낮은 제2압전소자 각각을 적어도 하나 이상씩 포함하는 트랜스듀서, 상기 트랜스듀서에 동작신호를 인가하여, 상기 제1압전소자와 제2압전소자의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 제어부에서 인가된 동작신호와 상기 트랜스듀서에서 수신한 초음파 신호를 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상으로 출력하는 포터블 영상화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치
본 발명은 선형과 비선형 복합의 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치에 관한 것이다.
비파괴 검사란 제조 분야에서 공작물의 제품완전성이나 표면상태를 공작물의 변형 또는 파손 없이 검사하는 방법이다. 비파괴 검사의 방식으로는 액체침투법, 자기탐상법, 음향방사법, 음향충격법, 방사선투과법, 와전류타상법, 열탐상법 및 홀로그래피 기술 등이 있으며, 초음파검사법도 비파괴 검사 방법 중 하나이다.
초음파검사법이란, 피검체의 내부로 초음파를 송신한 후, 피검체 내부에서 반사되는 초음파를 수신하여 이를 영상화함으로써 피검체 내부를 검사하는 방식으로, 초기에는 주로 절개없이 인체의 내부를 검사하기 위해 사용되었지만 동일한 방식으로 공작물이 피검체 또한 검사할 수 있어, 최근 공업 분야에서 공작물 내부에 결함이 존재하는지 여부 및 결함이 존재할 경우 결함의 종류가 어떠한 것인지를 판단하기 위해 널리 사용되고 있다.
초음파검사법에서는 초음파를 송수신하는 트랜스듀서(Transducer)라는 장치가 필수적으로 사용되는데, 트랜스듀서는 초음파의 송수신을 위해 압전소자를 포함한다. 트랜스듀서에 포함되는 압전소자의 배열 형태에 따라 트랜스듀서는 선형 배열 방식(Linear array transducer), 곡선형 배열 방식(Curvilinear array transducer), 환상 배열 탐촉자 방식(Annular array transducer) 및 이차원적 배열 방식(Matrix array transducer)과 같은 종류로 나뉠 수 있으며, 위상차 배열 방식(Phased array transducer)의 트랜스듀서는 이들 모두를 포함하는 개념이다.
상기한 다양한 종류의 트랜스듀서 각각의 압전소자에 다양한 지연시간을 제어해 트랜스듀서에서 위상차를 가지는 초음파 신호를 송신하도록 함으로써 측정하고자 하는 위치에 맞춰 초음파 신호의 집중 지점을 변경하는 등의 제어를 할 수 있어, 영상화를 포함하여 다양한 분야에서 사용되고 있다.
일반적으로 단일의 위상차 배열 방식의 트랜스듀서에는 동일한 하나의 공진 주파수를 가지는 압전소자들이 사용되고 있는데, 동일한 공진 주파수의 압전소자들이 사용될 경우 동일한 분해능의 영상만을 생성할 수 있어, 피검체 내부에 형성된 결함의 종류 또는 크기에 따라 제한적인 경우가 많으며, 선형의 위상배열 영상에서 검출하지 못하는 경우가 발생할 수 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치의 목적은 다양한 종류의 공진 주파수를 가지는 압전소자를 이용하여 다양한 분해능의 선형 및 비선형 영상을 생성하여, 피검체 내부에 형성된 다양한 종류의 결함을 측정 가능하도록 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다양한 실시 예에 의한 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치는, 피검체로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 피검체에서 반사되는 초음파 신호를 수신하며, 공진주파수가 높은 제1압전소자와 상기 제1압전소자보다 공진주파수가 낮은 제2압전소자 각각을 적어도 하나 이상씩 포함하는 트랜스듀서, 상기 트랜스듀서에 동작신호를 인가하여, 상기 제1압전소자와 제2압전소자의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 제어부에서 인가된 동작신호와 상기 트랜스듀서에서 수신한 초음파 신호를 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상으로 출력하는 포터블 영상화부를 포함한다.
또한, 상기 제1압전소자와 상기 제2압전소자는 복수개가 소정 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1압전소자와 상기 제2압전소자는 서로 교차 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1압전소자의 공진주파수는 상기 제2압전소자의 공진주파수의 양의 정수배인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 트랜스듀서에 동작신호를 인가하여, 상기 제1압전소자 또는 상기 제2압전소자 중 하나만을 사용하여 초음파 신호를 송신 및 수신하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 트랜스듀서에 동작신호를 인가하여, 상기 제1압전소자 또는 제2압전소자 중 하나에서 초음파 신호를 송신하고, 초음파 신호를 송신지 않은 다른 압전소자에서 반사되는 초음파 신호를 수신하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포터블 영상화부는 상기 제1압전소자에서 초음파 신호를 송신하고, 상기 제2압전소자에서 초음파 신호를 수신할 경우 고조파 위상배열 영상을 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포터블 영상화부는 상기 제2압전소자에서 초음파 신호를 송신하고, 상기 제1압전소자에서 초음파 신호를 수신할 경우 저조파 위상배열 영상을 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치에 의하면, 서로 다른 공진 주파수를 가지는 제1압전소자와 제2압전소자 중 하나만을 이용해 초음파를 송수신하고, 수신된 초음파 신호로 영상을 생성하기 때문에 서로 다른 분해능을 가지는 피검체의 검사영상을 출력 가능하여 다양한 종류의 결함을 검사할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 공진 주파수가 높은 제1압전소자에서 초음파를 송신하고, 피검체에서 반사된 초음파를 공진 주파수가 낮은 제2압전소자에서 수신하며, 수신된 초음파 신호로 피검체의 비선형 고조파 검사영상을 출력할 수 있어 선형 영상화 기법이 검출할 수 없는 다양한 종류의 결함을 검사할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 공진 주파수가 낮은 제2압전소자에서 초음파를 송신하고, 피검체에서 반사된 초음파를 공진 주파수가 높은 제1압전소자에서 수신하며, 수신된 초음파 신호로 피검체의 저조파 검사영상을 출력할 수 있어 선형 영상화 기법이 검출할 수 없는 다양한 종류의 결함을 검사할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예의 개략도.
도 2는 본 발명의 제1실시예의 트랜스듀서의 개략도.
도 3은 본 발명의 제1실시예의 제1동작모드의 개략도.
도 4는 본 발명의 제1실시예의 제2동작모드의 개략도.
도 5는 본 발명의 제1실시예의 제3동작모드의 개략도.
도 6은 본 발명의 제1실시예의 제4동작모드의 개략도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치의 바람직한 실시예들에 관하여 상세히 설명한다.
[제1실시예]
도 1은 본 발명의 제1실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치는, 트랜스듀서(100), 제어부(미도시) 및 포터블 영상화부(200)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 트랜스듀서(100)는 피검체로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 피검체에서 반사되는 초음파 신호를 수신한다. 즉, 트랜스듀서(100)는 피검체와 인접 또는 접촉한다. 도 1에서 트랜스듀서(100)는 직육면체 형상이지만, 본 발명은 이에 한정하지 않으며 트랜스듀서는 피검체의 대상에 따라 다양한 형상이 될 수 있다.
도 2는 트랜스듀서(100)의 내부를 분해한 것을 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(100)는 음향렌즈(110), 전면 정합층(120), 진동자부(130) 및 후면층(140)을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 음향렌즈(110), 전면 정합층(120) 및 후면층(140)은 종래의 위상 배열형 트랜스듀서에도 포함되는 구성으로, 각각의 구성에 대해 간략히 설명한 후 본 발명의 제1실시예의 특징인 진동자부(130)에 대해서 상세히 설명한다.
음향렌즈(110)는 음향렌즈(110)를 투과하는 초음파의 손실이 최소한이 되도록 하기 위한 것으로, 다양한 재질로 형성될 수 있다. 음향렌즈(110)는 피검체와 접촉하거나 인접하는 부분으로, 연성의 재질로 형성되어 피검체의 표면의 굴곡에 따라 변형되어 피검체의 다양한 형상에 대응할 수 있다.
전면 정합층(120)은 음향 렌즈(110)와 진동자부(130) 사이에 위치하여, 진동자부(130)와 피검체 사이의 음향 임피던스를 정합함으로써, 진동자부(130)에서 발생한 초음파를 피검체로 전달하거나 피검체에 의하여 반사되어 되돌아오는 반사 신호의 손실을 저감시킨다. 즉, 전면 정합층(120)은 진동자부(130)와 피검체 사이의 음향 임피던스의 급격한 변화에 따른 영상 왜곡 등을 해결하는, 일종의 완충 역할을 한다. 전면 정합층(120)은 진동자부(130)에 포함되는 압전소자 각각에 형성될 수 있다.
후면층(140)은 진동자부(130)의 외측에 형성되어, 음향 임피던스가 진동자부(130)와 정합이 용이하도록 하며, 흡음 특성을 가지도록 할 수 있다.
진동자부(130)는 실질적으로 초음파의 송수신이 이루어지는 부분으로, 다양한 방식으로 초음파를 송수신 하는 진동자들로 이루어질 수 있지만, 본 발명의 일실시예에서 진동자부(130)에 포함되는 진동자들은 도 2에 도시된 바와 같이 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 제1실시예에서 진동자와 압전소자는 동일한 의미이나, 진동자의 종류를 압전소자에 한정하지는 않는다.
제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)는 각각의 공진 주파수가 서로 다르다. 보다 구체적으로는, 제1압전소자(131)의 공진주파수 f1이 제2압전소자(132)의 공진주파수 f2보다 크며, 공진주파수 f1은 공진주파수 f2의 양의 정수배일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)는 각각이 서로 교차 배열되어 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않으며 소정 패턴이 반복되어 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)가 배치될 수 있다. 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)가 형성되는 다른 패턴의 예로써, 제1압전소자(131)가 두 개 연달아 배치되고, 제2압전소자(132)가 다시 두개가 연달아 배치되는 패턴이 반복될 수 있다.
제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)의 사이에는 보호막(133)이 형성되어, 반복 변형에 의한 박리 또는 균열을 방지할 수 있으며, 보호막(133)은 폴리머재질로 형성되거나 상기 후면층과 일체형으로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132) 각각에는 와이어(134)가 형성된다. 와이어(134)는 제어부와 동작신호 및 초음파 신호의 송수신을 위한 것으로, 제어부와 물리적으로 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)는 각각의 공진 주파수가 달라 각각의 크기(도면을 기준으로 높이)가 다를 수 있다. 이에 대응하기 위해 후면층(140)은 압전소자측으로 소정 돌기가 돌출되고, 각각의 돌기 사이에 제1압전소자(131)가 삽입되고, 돌기의 돌출면과 제2압전소자(132)의 일면과 맞닿을 수 있다.
제어부는 트랜스듀서(100)에 동작신호를 인가하여, 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)의 동작을 제어한다. 제어부에서 트랜스듀서(100)로 인가하는 동작신호는 제1압전소자(131) 또는 제2압전소자(132)에 초음파를 피검체로 송신하도록 하는 것과, 제1압전소자(131) 또는 제2압전소자(132)에서 피검체에서 반사된 초음파를 수신하도록 하는 것일 수 있다.
제어부는 후술할 포터블 영상화부(200)의 내부에 설치된 임베디드 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 또는 소프트웨어 형태로 구현될 수 있다.
포터블 영상화부(200)는 트랜스듀서(100)와 연결되어, 제어부에서 트랜스듀서(100)로 인가된 동작신호와 트랜스듀서(100)에서 수신한 초음파 신호를 수신해 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상으로 출력한다. 포터블 영상화부(200)는 이를 위해 내부에 위상배열 영상의 연산을 위한 연산장치 및 프로그램을 포함할 수 있으며, 영상출력을 위해 디스플레이가 외면에 형성될 수 있다.
이하 도면을 참고하여 제어부에서 인가하는 동작신호와 이에 따른 제1압전소자와 제2압전소자의 동작에 따라 달라지는 제1 내지 제4동작모드에 관하여 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 6은 트랜스듀서에 포함되는 제1압전소자(131) 및 제2압전소자(132)와 각각의 압전소자들에 연결되는 제어부를 개략적으로 도시한 것이다. 도 2에서는 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)의 크기가 서로 다르게 도시되어 있지만, 편의상 도 3 내지 도 6에서는 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)의 크기가 서로 동일하게 도시되어 있되, 제1압전소자(131)는 빗금, 제2압전소자(132)는 수직선으로 형성된 헤칭과 각각의 도번으로 구분한다.
[제1동작실시예 및 제2동작실시예]
도 3에 도시된 제1동작실시예는 제1압전소자(131)만을 이용하여 초음파를 송신 및 수신하여, 선형 초음파 위상배열 영상을 생성하는 것이다.
상기한 제1동작실시예의 동작을 위해 제어부(300)는 제1압전소자(131)에 동작신호를 인가하여 가진시키고, 제1압전소자(131)는 초음파 신호를 피검체(10)로 송신한다. 이때 제1압전소자(131)에 인가되는 초음파 신호는 일정한 위상차를 가질 수 있다.
제1압전소자(131)에서 송신된 초음파 신호는 피검체(10) 내부를 투과한 후 피검체의 경계면(피검체의 끝단)에서 반사되고, 반사된 초음파 신호는 제1압전소자(131)에서 수신되며, 제어부(300)는 수신된 초음파 신호를 포터블 영상화부(200)로 송신하고, 포터블 영상화부(200)는 수신한 초음파 신호와 제어부(300)에서 제1압전소자(131)로 인가된 동작신호를 참고하여 위상배열 영상을 생성 및 출력한다. 포터블 영상화부(200)에서 생성 및 출력되는 위상배열 영상은 선형 위상배열 영상이다.
도 4에 도시된 제2동작실시예는 제1동작실시예와 마찬가지로, 제2압전소자(132)만을 이용하여 초음파를 송신 및 수신하여, 선형 초음파 위상배열 영상을 출력하는 방식이다.
제1동작실시예와 제2동작실시예는 각기 다른 공진주파수를 가지는 제1압전소자(131) 또는 제2압전소자(132)만을 이용하여 선형 초음파 위상배열 영상을 만들어낼 수 있다. 제1압전소자(131)의 공진주파수는 제2압전소자(132)의 공진주파수보다 높기 때문에, 제1압전소자(131)를 이용하여 만들어진 선형 초음파 위상배열 영상의 경우 제2압전소자(132)를 이용하여 만들어진 선형 초음파 위상배열 영상보다 축방향 분해능(도 3 및 4를 기준으로 수직방향의 분해능)이 향상되나, 전파거리가 감소하여 전파되는 거리 자체는 짧은 특성이 있다.
[제3동작실시예]
도 5에 도시된 본 발명의 제3동작실시예는 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)를 모두 이용하여 비선형 초음파 위상배열 영상을 생성한다.
상기한 제3동작실시예의 동작을 위해 제어부(300)는 도 5A에 도시된 바와 같이 제1압전소자(131)에 동작신호를 인가하여 가진시키고, 제1압전소자(131)는 초음파 신호를 피검체(10)로 송신한다. 이때 제1압전소자(131)에 인가되는 초음파 신호는 상기한 제1 및 제2동작실시예와 마찬가지로 일정한 위상차를 가질 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
제1압전소자(131)에서 송신된 초음파 신호는 피검체(10) 내부를 투과한 후 피검체(10)의 경계면(피검체의 끝단)에서 반사된다. 제어부(300)는 제2압전소자(132)에서 피검체(10)의 경계면에서 반사된 초음파 신호를 수신하도록 동작신호를 인가한 후, 포터블 영상화부(200)로 송신한다. 제1압전소자(131)의 공진주파수 f1은 제2압전소자(132)의 공진주파수 f2의 n배이므로,(n은 양의 정수) 제2압전소자(132)에서 수신하는 초음파 신호는 n차 고조파 신호가 된다.
제2압전소자(132)에서 수신된 고조파 신호는 포터블 영상화부(200)로 송신되고, 포터블 영상화부(200)는 수신된 초음파 신호와 제어부(300)에서 제1압전소자(131)로 인가된 동작신호를 참고하여 비선형 고조파 위상배열 영상을 출력한다. 고조파 위상배열 영상의 경우, 일반적인 선형 위상배열 영상에서 검출하지 못하는 균열을 탐지할 수 있는 효과가 있으며, 구체적으로는, 비선형 고조파 위상배열 영상은 구조물의 내부 재료가 외부의 힘 또는 응력에 의해 변형되었을 경우, 이러한 재료의 미세한 변화를 감지할 수 있다.
[제4동작실시예]
도 6에 도시된 본 발명의 제4동작실시예는 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)를 모두 이용하여 비선형 초음파 위상배열 영상을 생성한다.
본 발명의 제4동작실시예는 제3동작실시예와 반대로 비선형 저조파 위상배열 영상을 생성하는 동작실시예이다. 이를 위해 제3동작실시예와 마찬가지로 제1압전소자(131)와 제2압전소자(132)를 모두 사용하되, 제3동작실시예와 압전소자를 반대로 사용한다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이 제어부(300)는 제2압전소자(132)에 동작신호를 인가하여 초음파 신호를 피검체(10)로 송신하고, 제1압전소자(131)에 동작신호를 인가하여 반사되어 재입사되는 초음파 신호를 수신한다. 제1압전소자(131)의 공진주파수 f1은 제2압전소자(132)의 공진주파수 f2의 n배이므로, 제1압전소자(131)에서 수신하는 초음파 신호는 공진 주파수 f1의 n차 저조파 신호가 되며, 포터블 영상화부(200)는 수신한 n차 저조파 신호를 통해 비선형 저조파 위상배열 영상을 생성 및 출력할 수 있다. 저조파 위상배열 영상 또한 저조파 위상배열 영상과 마찬가지로 일반적인 선형 위상배열 영상에서 검출하지 못하는 균열을 탐지할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로는 피검체의 내부에서 결함이 발생했을 때, 피검체 재료의 탄성에 의해 닫히는 닫힘 결함의 경우 선형 영상에서는 초음파가 닫힘 결함을 투과하는 경우가 많은데, 비선형 저조파 위상배열 영상의 경우 닫힘 결함에서 초음파 신호가 반사되어, 닫힘 결함을 탐지할 수 있다.
상술한 제1동작실시예 및 제2동작실시예에서는 선형 저조파 위상배열 영상을 획득할 수 있기 때문에, 각각의 압전소자에서 인가되는 초음파 신호의 세기는 관계 없다. 따라서 제1동작실시예 및 제2동작실시예에서 초음파 신호를 송신하는 압전소자는 순차적으로 가진되어 초음파 신호를 송신하거나, 동시에 가진되는 병렬가진을 통해 초음파 신호를 송신할 수 있으며, 압전소자가 동시에 가진될 경우 보다 강한 초음파 신호를 발생시킬 수 있다.
제1동작실시예와 제2동작실시예와 달리, 제3동작실시예 및 제4동작실시예는 비선형 저조파 위상배열 영상을 획득하기 때문에, 보다 강한 초음파 신호를 발생시킬 필요가 있다. 따라서 제3동작실시예 및 제4동작실시예의 경우, 교차배열된 제1 및 제2압전소자 중 한 종류의 압전소자를 동시에 가진하는 병렬가진만을 사용하여 신호를 획득한 후, 원하는 주파수를 중심주파수로 하는 대역통과필터를 통해 통과시켜, 시간지연 및 합 방식으로 비선형 저조파 위상배열 영상을 획득할 수 있으며, 제3동작실시예와 제4동작실시예를 사용할 경우 본 발명은 도면에는 도시되어 있지 않지만 포터블 영상화부와 제1 및 제2압전소자 중 피검체의 경계면에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 압전소자 사이에 설치되는 대역통과필터를 더 포함할 수 있다.
[제2실시예]
이하 본 발명의 제2실시예에 의한 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 의한 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치는 제1실시예와 다른 구성들은 동일하고, 진동자부에 포함되는 진동자, 즉 압전소자의 구성만이 다르다. 따라서 본 발명의 제2실시예에서는 진동자부에 포함되는 압전소자에 대해서 중점적으로 설명하고, 이하 설명하지 않는 구성은 제1실시예와 제2실시예가 동일한 것으로 간주한다.
본 발명의 제2실시예에서 진동자부는 각각의 공진 주파수가 다른 제1 내지 제3압전소자를 포함한다. 제1압전소자의 공진주파수를 f1, 제2압전소자의 공진주파수를 f2, 제3압전소자의 공진주파수를 f3이라고 했을 때, f1은 f2의 양의 정수배일 수 있으며, f3은 f2의 양의 정수배일 수 있으며 이하 f1 = 2f2 = 4f2로 설정한다.
본 발명의 제2실시예에서는 제1압전소자, 제2압전소자 및 제3압전소자가 순차적으로 반복되어 배치될 수 있는데, 이는 제1압전소자, 제2압전소자 및 제3압전소자 중 하나만을 이용하여 초음파 신호를 송신하고, 나머지 압전소자에서 피검체에서 반사되는 초음파 신호를 수신함으로써 고조파 신호와 저조파 신호를 함께 얻기 위함이다.
예를 들어, 제어부에서 제2압전소자에 동작신호를 입력하여 가진시킬 경우, 제1압전소자에서는 저조파 신호를, 제3압전소자에서는 고조파 신호를 얻어 각각 2차 저조파 영상 및 2차 고조파 영상을 얻을 수 있고, 이와 달리 제3압전소자에서 초음파 신호를 송신하고, 제1 및 제2압전소자에서 초음파 신호를 수신할 경우 2차 고조파 신호와 4차 고조파 신호를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
[부호의 설명]
100 : 트랜스듀서
110 : 음향렌즈
120 : 전면 정합층
130 : 진동자부
131 : 제1압전소자
132 : 제2압전소자
133 : 보호막
134 : 와이어
140 : 후면층
200 : 포터블 영상화부
300 : 제어부

Claims (8)

  1. 피검체로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 피검체에서 반사되는 초음파 신호를 수신하며, 공진주파수가 높은 제1압전소자와 상기 제1압전소자보다 공진주파수가 낮은 제2압전소자 각각을 적어도 하나 이상씩 포함하는 트랜스듀서;
    상기 트랜스듀서에 동작신호를 인가하여, 상기 제1압전소자와 제2압전소자의 동작을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부에서 인가된 동작신호와 상기 트랜스듀서에서 수신한 초음파 신호를 위상배열 영상을 위한 지연-합(Delay-Sum)으로 계산하여 위상배열 영상으로 출력하는 포터블 영상화부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1압전소자와 상기 제2압전소자는 복수개가 소정 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1압전소자와 상기 제2압전소자는 서로 교차 배열되는 것을 특징으로 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1압전소자의 공진주파수는 상기 제2압전소자의 공진주파수의 양의 정수배인 것을 특징으로 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 트랜스듀서에 동작신호를 인가하여, 상기 제1압전소자 또는 상기 제2압전소자 중 하나만을 사용하여 초음파 신호를 송신 및 수신하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 트랜스듀서에 동작신호를 인가하여, 상기 제1압전소자 또는 제2압전소자 중 하나에서 초음파 신호를 송신하고, 초음파 신호를 송신하지 않은 다른 압전소자에서 반사되는 초음파 신호를 수신하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 포터블 영상화부는 상기 제1압전소자에서 초음파 신호를 송신하고, 상기 제2압전소자에서 초음파 신호를 수신할 경우 고조파 위상배열 영상을 출력하는 것을 특징으로 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 포터블 영상화부는 상기 제2압전소자에서 초음파 신호를 송신하고, 상기 제1압전소자에서 초음파 신호를 수신할 경우 저조파 위상배열 영상을 출력하는 것을 특징으로 하는 복합 다중 주파수 초음파 위상배열 영상화 장치.
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