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문제 정의
- 다만 초음파의 송신은 접촉식으로 하고 수신만 비접촉식을 적용함으로써 동일한 조건에서 접촉식으로 수신한 경우와 비접촉식으로 수신한 경우를 비교하였다. 이로써 탐촉자와 시편과의 접촉상태에 영향을 덜 받는 비접촉식 초음파 비선형 파라미터 측정의 가능성을 확인해보고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 열처리된 알루미늄 합금의 초음파 비선형 파라미터의 측정에 비접촉식 기법을 도입하였다. 그리고 동일한 조건의 초음파를 송신하였을때 접촉식으로 수신한 경우와 비접촉식으로 수신한 경우를 비교하였다.
- 이에 본 연구에서는 초음파 비선형성 측정에 비접촉식 기법을 도입하였다. 다만 초음파의 송신은 접촉식으로 하고 수신만 비접촉식을 적용함으로써 동일한 조건에서 접촉식으로 수신한 경우와 비접촉식으로 수신한 경우를 비교하였다. 이로써 탐촉자와 시편과의 접촉상태에 영향을 덜 받는 비접촉식 초음파 비선형 파라미터 측정의 가능성을 확인해보고자 하였다.
- 모든 열처리 시편에 대하여 이와 같은 방법으로 비선형 파라미터를 구하였으며, 안정된 비선형 파라미터 값을 획득하기 위해 고전압펄서(RAM 5000)로부터 시편에 송신되는 전압과 오실로스코프(Lecroy WS452)에 수신되는 전압의 크기는 일정하도록 하였다.
- 송신신호는 접촉식 측정과 동일하게 고전압펄서(RAM 5000, RITEC,USA)를 사용하여 21사이클의 톤 버스트 형태의 협대역 신호를 중심주파수가 5 MHz인 협대역 탐촉자를 이용하여 송신하였다. 발생된 초음파를 비접촉으로 수신하기 위하여 TWM 수신기(TECNAR, TWM)를 사용하였다. 수신된 신호는 접촉식 측정과 동일하게 디지털 오실로스코프(Lecroy, WS452)에서 A/D 변환하여 컴퓨터에서 주파수분석(FFT)을 통해 신호처리 하였다.
- 본 연구에서는 열처리된 알루미늄 합금의 초음파 비선형 파라미터의 측정에 비접촉식 기법을 도입하였다. 그리고 동일한 조건의 초음파를 송신하였을때 접촉식으로 수신한 경우와 비접촉식으로 수신한 경우를 비교하였다.
- 2(b)과 같이 접촉식 탐촉자를 이용하여 초음파 신호를 송신하고 TWM을 이용하여 비접촉식으로 초음파 수신하는 실험장치를 구성하였다. 송신신호는 접촉식 측정과 동일하게 고전압펄서(RAM 5000, RITEC,USA)를 사용하여 21사이클의 톤 버스트 형태의 협대역 신호를 중심주파수가 5 MHz인 협대역 탐촉자를 이용하여 송신하였다. 발생된 초음파를 비접촉으로 수신하기 위하여 TWM 수신기(TECNAR, TWM)를 사용하였다.
- 이를 위해 열처리하지 않은 상온 시편과 온도 300 ℃에서 1 시간부터 100시간까지 7가지의 열처리 시간(lh, 2h, 5h, 10h, 20h, 50h, 100h)으로 열처리한 7종류의 열처리 시편을 준비하여 총 8종류의 시편으로 실험을 진행하였다. 시편을 투과한 신호는 접촉식 탐촉자와 비접촉식 초음파 수신기를 이용하여 각각 수신하였다. 접촉식 수신에는 압전 트랜스듀서를 사용하였고, 비접촉식 수신에는 레이저를 이용한 TWM(Two-Wave Mixing) 장치를 사용하였다.
- 시편은 Al-Mg-Mn-Si로 구성된 150 X 150 X 15mm 크기의 알루미늄 합금을 사용하였고, 열처리하지 않은 상온 시편과 온도 300 ℃ 에서 1시간부터 100시간까지 7가지의 열처리 시간(l hour, 2 hour, 5 hour, 10 hour, 20 hour, 50 hour, 100 hour)으로 열처리한 7종류의 열처리 시편을 준비하여 총 8종류의 시편으로 실험을 진행하였다. 열처리는 300 ℃에서 7종류의 다양한 시효시간((l hour, 2 hour, 5 hour, 10 hour, 20 hour, 50 hour, 100 hour)으로 전기로에서 시효 열처리 진행 후 공랭하였다.
- 시편을 투과한 신호는 접촉식 탐촉자와 비접촉식 초음파 수신기를 이용하여 각각 수신하였다. 접촉식 수신에는 압전 트랜스듀서를 사용하였고, 비접촉식 수신에는 레이저를 이용한 TWM(Two-Wave Mixing) 장치를 사용하였다. 수신한 신호는 주파수 분석하여, 5 MHz와 10 MHz 성분의 크기를 구하였고 이로부터 비선형 파라미터 값을 구하여, 접촉식 수신 결과와 비접촉식 수신결과를 비교하였다.
- 2(a)와 같이 접촉식 탐촉자를 이용하여 실험장치를 구성하였다. 주파수 분석을 통해 효과적으로 고조파 성분을 분리 측정하기 위해서 21사이클의 사인파형 톤 버스트(tone burst)형태의 협대역 신호를 고전압펄서(RAM 5000, RITEC, USA)를 사용하여 송신하였고，송신 탐촉자는 중심주파수가 5 MHz인 0.375 in 협대역 PZT 탐촉자를 사용하였다. 송신된 초음파 신호는 시편을 투과하여 수신되고 수신되는 초음파 신호의 2차고조파 성분을 민감하게 수신하기 위해 수신 탐촉자는 10MHz의 중심주파수를 가지는 0.
- 초음파 비선형 특성을 비접촉식으로 수신하여 비선형 파라미터 측정을 위해 Fig. 2(b)과 같이 접촉식 탐촉자를 이용하여 초음파 신호를 송신하고 TWM을 이용하여 비접촉식으로 초음파 수신하는 실험장치를 구성하였다. 송신신호는 접촉식 측정과 동일하게 고전압펄서(RAM 5000, RITEC,USA)를 사용하여 21사이클의 톤 버스트 형태의 협대역 신호를 중심주파수가 5 MHz인 협대역 탐촉자를 이용하여 송신하였다.
- 초음파 비선형 특성을 접촉식 초음파 기법을 이용하여 평가하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 접촉식 탐촉자를 이용하여 실험장치를 구성하였다. 주파수 분석을 통해 효과적으로 고조파 성분을 분리 측정하기 위해서 21사이클의 사인파형 톤 버스트(tone burst)형태의 협대역 신호를 고전압펄서(RAM 5000, RITEC, USA)를 사용하여 송신하였고，송신 탐촉자는 중심주파수가 5 MHz인 0.
- 그러나 접촉식 수신신호는 초음파의 음향파워에 비례하는 신호이고, 비접촉식 수신 신호는 초음파의 변위에 비례하는 신호로 감도의 직접적인 비교는 무의미하다. 한편, 신호분석을 위해 수신신호의 안정한 구간에 해당하는 15cycle의 신호를 획득하여 해닝윈도우(Hanning window)적용 후 FFT처리 하였다. 그 결과 Fig.
대상 데이터
- 시편은 Al-Mg-Mn-Si로 구성된 150 X 150 X 15mm 크기의 알루미늄 합금을 사용하였고, 열처리하지 않은 상온 시편과 온도 300 ℃ 에서 1시간부터 100시간까지 7가지의 열처리 시간(l hour, 2 hour, 5 hour, 10 hour, 20 hour, 50 hour, 100 hour)으로 열처리한 7종류의 열처리 시편을 준비하여 총 8종류의 시편으로 실험을 진행하였다. 열처리는 300 ℃에서 7종류의 다양한 시효시간((l hour, 2 hour, 5 hour, 10 hour, 20 hour, 50 hour, 100 hour)으로 전기로에서 시효 열처리 진행 후 공랭하였다.
- 이를 위해 열처리하지 않은 상온 시편과 온도 300 ℃에서 1 시간부터 100시간까지 7가지의 열처리 시간(lh, 2h, 5h, 10h, 20h, 50h, 100h)으로 열처리한 7종류의 열처리 시편을 준비하여 총 8종류의 시편으로 실험을 진행하였다. 시편을 투과한 신호는 접촉식 탐촉자와 비접촉식 초음파 수신기를 이용하여 각각 수신하였다.
데이터처리
- 375 in 협대역 PZT 탐촉자를 사용하였다. 수신된 신호는 디지털 오실로스코프(Lecroy WS452)에서 A/D 변환하였고 컴퓨터에서 주파수분석(FFT)을 통해 신호처리 하였다.
- 발생된 초음파를 비접촉으로 수신하기 위하여 TWM 수신기(TECNAR, TWM)를 사용하였다. 수신된 신호는 접촉식 측정과 동일하게 디지털 오실로스코프(Lecroy, WS452)에서 A/D 변환하여 컴퓨터에서 주파수분석(FFT)을 통해 신호처리 하였다.
- 접촉식 수신에는 압전 트랜스듀서를 사용하였고, 비접촉식 수신에는 레이저를 이용한 TWM(Two-Wave Mixing) 장치를 사용하였다. 수신한 신호는 주파수 분석하여, 5 MHz와 10 MHz 성분의 크기를 구하였고 이로부터 비선형 파라미터 값을 구하여, 접촉식 수신 결과와 비접촉식 수신결과를 비교하였다.
이론/모형
- 이에 본 연구에서는 초음파 비선형성 측정에 비접촉식 기법을 도입하였다. 다만 초음파의 송신은 접촉식으로 하고 수신만 비접촉식을 적용함으로써 동일한 조건에서 접촉식으로 수신한 경우와 비접촉식으로 수신한 경우를 비교하였다.
- 재료를 투과한 초음파 신호를 비접촉으로 수신 하기 위해 레이저를 이용하는 TWM(Two-Wave Mixing) 장치를 사용하였다. Fig.
성능/효과
- TWM을 이용한 비접촉식 측정결과가 접촉식 측정결과보다 수신신호의 크기가 작고, 측정 편차가 더 크게 나타났다. 그러나 알루미늄 합금의 열처리에 따른 비선형 파라미터 β의 변화는 접촉식 측정결과와 유사하게 나타났으며, 그 변화의 폭은 비접촉식 수신의 경우에 통해 훨씬 크게 나타났다.
- 그런데 접촉식 비선형 파라미터 측정결과는 상온시편의 비선형 파라미터 값을 기준으로 첫번째 피크인 5시간 열처리에서 4.0 %, 두 번째 피크인 50시간 열처리에서는 2.6 %의 비선형 파라미터 값의 증가를 보인 반면, 비접촉식 수신 비선형 파라미터 측정결과는 상온시편의 비선형 파라미터 값을 기준으로 첫 번째 피크인 2시간 열처리에서 240 %, 두 번째 피크인 50시간 열처리에서는 250 %의 비선형 파라미터 값의 증가를 보였다. 이는 접촉식 측정에 비해 비접촉식 측정이 재료의 비선형 특성 변화에 훨씬 민감하다는 것을 의미한다.
- 4 비선형 파라미터 측정 결과는 상온 시편에서 얻은 비선형 파라미터 값을 기준으로 정규화(Normalizing)하였다. 비접촉식에서 이용하는 TWM은 광학 장치의 특성상 접촉식 탐촉자를 이용한 측정에 비해서 주변의 영향이나 측정 재료의 표면 거칠기에 영향을 받으며 측정 안정성(stability)이 낮아 접촉식 측정결과보다 편차가 높게 측정됐다.
후속연구
- 이로부터 초음파 비선형성 측정에 있어서 비접촉식 수신기법의 유효성을 확인할 수 있으며, 이 방법은 탐촉자의 접촉상태를 안정하게 유지하기 위해 부수적인 장치를 필요로 하는 접촉식 기법의 불편함을 해소할 수 있을 것으로 기대된다.
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