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문제 정의
- 본 연구에서는 배관이나 튜브 등에 부식이나 마모에 의한 두께감육을 정량적으로 평가할 수 있는 비접촉식 초음파검사기법(SH-EMAT)을 개발하기위한 선행 연구로 모드컷오프와 군속도변화, 즉 유도초음파의 분산 특성과 두께변화의 상관관계를 실험적으로 검증하고, 박판의 두께변화를 평가하기위한 기법을 확립하고자 한다. 이를 위해 SH-EMAT을 이용하여 비접촉식으로 발생된 유도초음파의 분산특성과 이론적인 분산선도와의 비교를 통하여 박판의 두께변화를 평가하기 위한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 1~5 MHz이다. SH파의 가진 주파수는 이론적인 분산선도에서 파장과 위상속도의 관계로부터 확인할 수 있으며, SH파의 여러 모드 중에서 SH1, SH2 모드를 발생하기 위해서 이론적인 분산선도로부터 가진 주파수를 선정하였다. 예를 들어 파장이 4.
- 이를 위해 박판에 유도초음파를 송ㆍ수신하기 위해 한 쌍의 SHEMAT을 적용하였으며 파장과 발생 주파수의 조정을 통해 효과적인 전파모드를 선택하는 것이 가능하였다. 그리고 두께감육결함으로 인해 발생하는 유도초음파의 분산특성변화, 즉 전파시간차변화를 두께 감육 평가에 이용하였다. 이 실험결과로부터 SH1, SH2 모드를 이용하여 박판에서 95% 확률로 두께감육을 최대 약 4%(0.
- 펄서/리시버에 의해 발생된 초음파 펄스는 임피던스 매칭박스를 통해 송신 EMAT에 보내져 SH파를 발생시킨다. 그리고 발생된 SH파는 동일한 형태의 EMAT으로 수신되어 프리앰프(WIS사)에서 증폭된 후 신호처리를 위해 디지털 오실로스코프(Lecroy사)와 연결되어 신호의 평균화 및 주파수 분석 등을 수행할 수 있도록 구성하였다. Fig.
- 박판에서의 두께변화에 의한 비접촉 SH파의 모드분산성 분석을 위해 2 mm 두께의 알루미늄 박판에 결함 크기 50×50 mm2이며, 두께의 7.2%, 16.7%, 29.5%가 감소된 감육을 가지는 결함을 시험편에 기계 가공하였다.
- 18 mm 에서의 결과를 나타낸다. 신뢰구간에 대한 두께 감육을평가하였으며 접촉식 수직 탐촉자를 이용하여 측정된 두께와 비교하였다. 이 결과로부터 SH1 모드에서는 실제 두께감육에 대하여 최대 3.
- 알루미늄 박판에서 두께변화를 평가하기위해 SHEMAT을 이용하여 비접촉으로 SH파를 송ㆍ수신하였다. 이때 초음파 펄서/리시버의 주파수 범위는 0.
- 본 연구에서는 배관이나 튜브 등에 부식이나 마모에 의한 두께감육을 정량적으로 평가할 수 있는 비접촉식 초음파검사기법(SH-EMAT)을 개발하기위한 선행 연구로 모드컷오프와 군속도변화, 즉 유도초음파의 분산 특성과 두께변화의 상관관계를 실험적으로 검증하고, 박판의 두께변화를 평가하기위한 기법을 확립하고자 한다. 이를 위해 SH-EMAT을 이용하여 비접촉식으로 발생된 유도초음파의 분산특성과 이론적인 분산선도와의 비교를 통하여 박판의 두께변화를 평가하기 위한 연구를 수행하였다.
- 두께감육을 정량적으로 평가하기위해서 두께변화뿐만 아니라 결함길이도 함께 전파시간차를 이용하여 평가하였으며 이론적인 분산선도와 비교하여 실험적으로 검증하였다. 이를 위해 두께감육 평가에 적용한 동일한 시험편으로 실험을 진행하였다. 이 전파 시간차, 즉 속도 측정값을 바탕으로 두께 감육결함의 길이를 평가한 결과를 Table 3에 정리하였으며, 파장 3.
- 알루미늄 박판에 가공된 두께감육결함을 검출하기 위해 비접촉식 초음파기법를 적용하였다. 이를 위해 박판에 유도초음파를 송ㆍ수신하기 위해 한 쌍의 SHEMAT을 적용하였으며 파장과 발생 주파수의 조정을 통해 효과적인 전파모드를 선택하는 것이 가능하였다. 그리고 두께감육결함으로 인해 발생하는 유도초음파의 분산특성변화, 즉 전파시간차변화를 두께 감육 평가에 이용하였다.
- 전파시간차의 변화, 즉 군속도 변화는 두께변화를 나타내기 때문에 두께 변화를 정량적으로 평가하기 위해 군속도 측정값을 통계적으로 분석하였다. 이를 위해 분산특성에 의한 유도초음파의 군속도 변화를 측정하고 군속도 평균값, 군속도 분산 그리고 군속도 표준편차를 확인하였다. Table 1은 95% 신뢰구간을 구하기 위해 표준 편차를 계산한 결과를 나타낸다.
- 6과 같이 두께변화가 발생하면 모드의 분산성으로 인해 전파시간차가 발생하게 된다. 전파시간차의 변화, 즉 군속도 변화는 두께변화를 나타내기 때문에 두께 변화를 정량적으로 평가하기 위해 군속도 측정값을 통계적으로 분석하였다. 이를 위해 분산특성에 의한 유도초음파의 군속도 변화를 측정하고 군속도 평균값, 군속도 분산 그리고 군속도 표준편차를 확인하였다.
- 특히 파장과 발생 주파수를 적용하고자 하는 재료의 특성에 맞게 변경하여 사용한다. 파장과 발생 주파수는 사용하는 영구자석의 요소 간격에 따라 결정할 수 있으며 SH파의 음속을 Cp라하고 자석의 요소 간격을 Δd라 하면 식(4)과 같다.
- 17 MHz이다. 한 쌍의 SH-EMAT간격은 251.5 mm로 하여 피치-캐치 방식으로 SH파를 송ㆍ수신하였으며 탐촉자의 위치는 결함의 양쪽에 배치하였다. 그리고 수신된 신호는 가진 주파수에 해당하는 주파수 대역으로 필터링하였으며 사용된 필터는 버터워스(Butterworth) 필터이다.
대상 데이터
- 5 mm이다. SH파 송․수신을 위해 초음파 펄서/리시버(Panametrics, 5800)가 사용되었다.
- 5 mm로 하여 피치-캐치 방식으로 SH파를 송ㆍ수신하였으며 탐촉자의 위치는 결함의 양쪽에 배치하였다. 그리고 수신된 신호는 가진 주파수에 해당하는 주파수 대역으로 필터링하였으며 사용된 필터는 버터워스(Butterworth) 필터이다. Fig.
데이터처리
- 두께감육을 정량적으로 평가하기위해서 두께변화뿐만 아니라 결함길이도 함께 전파시간차를 이용하여 평가하였으며 이론적인 분산선도와 비교하여 실험적으로 검증하였다. 이를 위해 두께감육 평가에 적용한 동일한 시험편으로 실험을 진행하였다.
이론/모형
- 알루미늄 박판에 가공된 두께감육결함을 검출하기 위해 비접촉식 초음파기법를 적용하였다. 이를 위해 박판에 유도초음파를 송ㆍ수신하기 위해 한 쌍의 SHEMAT을 적용하였으며 파장과 발생 주파수의 조정을 통해 효과적인 전파모드를 선택하는 것이 가능하였다.
성능/효과
- 08 mm)이내의 편차를 가지고 평가할 수 있음을 보였다. 또한 박판에서의 두께감육뿐만 아니라 두께감육부의 길이도 평가가 가능함을 확인하였다.
- 이는 이론적인 군속도 분산선도에서 두께 d가 감소하면 SH1 모드의 군속도가 감소하는 결과와 일치한다. 또한 파장이 4.30 mm일 때 두께변화가 30%인 결함으로부터 수신된 모드는 모드컷오프가 일어나 신호가 사라짐을 확인하였다. 이와 같은 모드컷오프가 발생한 이유는 본 실험에서 파장이 4.
- 이 결과로부터 SH1 모드에서는 실제 두께감육에 대하여 최대 3.75% (±0.18%)의 편차를 가지며 SH2 경우에는 0.44% (±0.15%)의 편차를 보였다.
- 30 mm이고 두께감육결함의 길이는 50 mm이다. 이 결과로부터 두께감육이 증가할수록 전파시간차가 증가함을 확인할 수 있다. 이는 이론적인 군속도 분산선도에서 두께 d가 감소하면 SH1 모드의 군속도가 감소하는 결과와 일치한다.
- 그리고 두께감육결함으로 인해 발생하는 유도초음파의 분산특성변화, 즉 전파시간차변화를 두께 감육 평가에 이용하였다. 이 실험결과로부터 SH1, SH2 모드를 이용하여 박판에서 95% 확률로 두께감육을 최대 약 4%(0.08 mm)이내의 편차를 가지고 평가할 수 있음을 보였다. 또한 박판에서의 두께감육뿐만 아니라 두께감육부의 길이도 평가가 가능함을 확인하였다.
- 특히 두께감육결함이 7.2%인 경우에는 모드에 따라 큰 차이를 보였으며, SH2 모드를 적용하여 결함길이를 평가한 결과 6.77 mm(±2.55 mm)의 편차를 보인 반면에 SH1모드인 경우에는 편차가 20.99 mm(±0.83 mm)로 편차가 상당히 큼을 확인하였다.
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