[논문]맥놀이 현상을 이용한 구조물 진동 가진

최영철; 박진호; 윤두병

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.10.1028

맥놀이 현상을 이용한 구조물 진동 가진
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한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.10 = no.151, 2009년, pp.1028 - 1033

최영철 (한국원자력연구원) , 박진호 (한국원자력연구원) , 윤두병 (한국원자력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

To detect faults and monitor thinning on a pipe, many people use ultra sonic sensors that are operated in high frequency range. Because there are many modes in high frequency range, it is difficult to find faults and monitor pipe thinning on a structure. If we deal with signals in a low frequency range which include only A0 wave and S0 wave, the information of monitoring and diagnosis can be easily obtained. In this paper, the technique for exciting low frequency range using ultra sonic sensors is proposed. The main idea of the proposed method comes from the beat phenomenon. The beat frequency is equal to the absolute value of the difference in frequency of the two waves. If the beat frequency is tuned by two ultra waves, we can excite A0 mode and S0 mode of structures. To verify the proposed method, we have performed a steel plate and pipe experiments. Experimental results show that two ultra sonic sensors can well excite low frequency range.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 신호의 크기를 크게 하고, 저주파로 만드는 방법이 필요하다. 이 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 성덕대왕신종에서 아이디어를 얻었다.
이 논문에서는 초음파 센서를 사용하여 저주파를 가진하는 방법에 제안하였다. 배관 및 평판 구조물의 결함을 탐지할 때 초음파 센서를 이용하여 모드가 복잡한 고주파 영역을 다루지만, 맥놀이 현상을 이용한다면 저주파까지 가진할 수 있음을 실험을 통해 검증하였다.
따라서, 크기가 작은 고주파용 초음파 센서를 이용하여 저주파 영역을 가진할 수 있다면, 그림 1과같이 배관 두께 예측, 결함탐지 등을 쉽고 정확하게 예측할 수 있음을 쉽게 알 수 있다. 이 논문에서는 크기가 작은 고주파용 초음파 센서 2개를 이용하여 A0파만 존재하는 저주파를 가진하는 방법에 대해 제안하고자 한다. 이때 저주파는 가속도계로 측정 가능한 주파수 범위를 말한다.

제안 방법

맥놀이 현상을 이용하면 초음파 센서를 이용하더라도 A0파와 S0파만 존재하는 저주파 영역을 가진할 수 있음을 이론적으로 살펴보았다. 하지만, 실제적으로 초음파 센서가 맥놀이 주파수에 해당하는 저주파수를 실제로 가진하는지를 살펴볼 필요가 있다.
맥놀이 현상이 나타나는지 확인하기 위해 Fig. 5와 같이 강철 평판에 2개의 초음파 센서를 부착하여 각각 400 kHz와 430 kHz로 가진하였다. 신호 취득은 가진 지점으로부터 100 mm 떨어진 곳에서 초음파 센서와 가속도계를 이용하여 신호를 취득하였다.
5와 같이 강철 평판에 2개의 초음파 센서를 부착하여 각각 400 kHz와 430 kHz로 가진하였다. 신호 취득은 가진 지점으로부터 100 mm 떨어진 곳에서 초음파 센서와 가속도계를 이용하여 신호를 취득하였다. 이때 가속도계의 샘플링 주파수는 200 kHz이며, 초음파 신호는 1 GHz의 샘플링 주파수로 신호를 취득하였다.
이 장에서는 강철 평판과 배관에서 초음파 신호의 맥놀이 현상을 이용하여 저주파가 가진될 수 있는지 가속도계를 이용하여 측정함으로써 검증한다.
초음파 신호 결과에서 볼 수 있듯이 맥놀이 주기가 30 kHz인 포락(envelop)을 관찰할 수 있다. 이 포락이 평판에서 30 kHz의 진동을 가진하는지 관찰 하기 위해 저주파 영역을 측정하는 가속도계를 이용하여 신호를 취득하였다. Fig.
7 kHz와 308 kHz하여 가진하였다. 평판 실험과 같이 가진점에서 100 mm 떨어진 곳에서 가속도계와 초음파 센서를 이용하여 각각 200 kHz, 1 GHz 샘플링 주파수로 신호를 취득하였다.

성능/효과

두 개의 실험을 통해 고주파수를 가진하는 두 개의 초음파 센서를 이용하여 주파수를 적절히 조정한다면, 가속도계 영역의 우리가 원하는 특정한 주파수를 가진할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이 논문에서는 초음파 센서를 사용하여 저주파를 가진하는 방법에 제안하였다. 배관 및 평판 구조물의 결함을 탐지할 때 초음파 센서를 이용하여 모드가 복잡한 고주파 영역을 다루지만, 맥놀이 현상을 이용한다면 저주파까지 가진할 수 있음을 실험을 통해 검증하였다. 따라서, 맥놀이 주파수를 배관의 A0모드 주파수에 맞추어 준다면 배관의 결함 탐지, 감육 감시 등 여러 감시진단에 적용할 수 있을 것이다.
결과에서 볼 수 있듯이 배관의 고유진동수로 가진할 때 보다 진폭이 작음을 알 수 있다. 배관의 고유주파수는 배관의 사양에 의해 이론적으로 계산할 수 있기 때문에 두 개의 초음파 센서의 맥놀이 주파수를 배관의 고유 주파수와 일치하게 가진을 한다면, A0파와 S0파만 존재하는 저주파 영역을 가진할 수 있음을 확인할 수 있었다.
8에서 보여주고 있다. 붉은 점선은 가속도 신호를 나타내며, 파란 실선은 초음파 신호를 의미하는데, 평판 실험과 같이 2개의 고주파수를 가진하면 두 주파수의 차이에 해당하는 5.7 kHz의 사인파가 가속도계 영역에서 가진 됨을 관찰할 수 있었다.
6의 붉은색 가속도 신호를 관찰한 결과 평판은 30 kHz의 주파수로 진동함을 관찰할 수 있었다. 즉, 두 개의 초음파 신호가 저주파 신호, 즉 30 kHz의 주파수로 평판을 가진할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

배관 및 평판 구조물의 결함을 탐지할 때 초음파 센서를 이용하여 모드가 복잡한 고주파 영역을 다루지만, 맥놀이 현상을 이용한다면 저주파까지 가진할 수 있음을 실험을 통해 검증하였다. 따라서, 맥놀이 주파수를 배관의 A0모드 주파수에 맞추어 준다면 배관의 결함 탐지, 감육 감시 등 여러 감시진단에 적용할 수 있을 것이다.
3(c)와 같이 근접한 두 개의 주파수에 의해 발생하게 되는데, 이 두 주파수의 차이에 해당하는 주파수로 신호의 크기가 커졌다 작아졌다 하는 것이다. 이러한 맥놀이 현상을 초음파 신호에 적용한다면 맥놀이 주파수에 해당하는 주파수만큼 저주파수로 가진 할 수 있으며, 또한 파의 진폭크기를 크게 할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Lamb파란 무엇인가?	여기서 A0파와 S0파는 Lamb파라고도 하는데, 몇 파장 정도의 두께를 갖는 고체 매질 내에 존재 하는 파로서, 재질의 전 두께를 통하여 진행하는 파를 말한다. 주로 박판에 존재하고, 매질의 밀도, 탄성 특성 및 두께, 그리고 주파수에 의한 영향이 크다.
	초음파 센서의 신호의 단점은?	초음파 센서의 신호는 고주파 일뿐 아니라, 신호 자체가 매우 작기 때문에 멀리 가지 못하는 단점이 있다. 따라서 신호의 크기를 크게 하고, 저주파로만드는 방법이 필요하다.
	Lamb파는 무엇에 영향을 받는가?	여기서 A0파와 S0파는 Lamb파라고도 하는데, 몇 파장 정도의 두께를 갖는 고체 매질 내에 존재 하는 파로서, 재질의 전 두께를 통하여 진행하는 파를 말한다. 주로 박판에 존재하고, 매질의 밀도, 탄성 특성 및 두께, 그리고 주파수에 의한 영향이 크다. S0파는 Fig.

참고문헌 (7)

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Dooly, R. B. and Chexal, V. K., 2000, “Flow-accelerated Corrosion of Pressure Vessels in Fossile Plants,” International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 77, pp. 85-90

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Sun, K. J. and Kishoni, D., 1993, “Feasibility of Using Lamb Waves for Corrosion Detection in Layered Aluminum Aircraft Structures,” IEEE Ultrasonic Syposium

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