[논문]전자기 음향 연성 원리를 이용한 비자성 금속 배관의 비접촉 비틀림 진동시험

김홍진; 박찬일; 김윤영

문제 정의

따라서 우리는 본 연구에서, 전자기 음향 연성 현상을 이용하여 대상체인 축 또는 배관에 어떤 것도 부착하지 않은 상태에서 비접촉으로 비틀림 진동을 발생시키고 측정하는 비접촉식 비틀림 진동 모달 테스팅 기법을 제안하고자 한다. 제안한 방식이 낮은 주파수부터 상당히 높은 주파수 영역에서 유용하다는 점을 일련의 실험을 통하여 밝혔으며, 얻은 비틀림 진동 모달 테스팅 결과를 이론적으로 구한 결과와 비교하였다.
이에 본 연구에서는 저주파 영역에서도 적용이 가능한 새로운 형상의 전자기 음향 트랜스듀서를 제안하였다. 제안한 트랜스듀서는 Fig.
본 연구에서는 비접촉식 트랜스듀서를 이용하여 비자성 금속 배관의 효율적인 비틀림 진동 시험을 수행하는 새로운 기법을 소개하였다. 이 기법의 핵심은 전자기 음향 원리를 이용한 트랜스듀서 제작기술이다.
이 기법의 핵심은 전자기 음향 원리를 이용한 트랜스듀서 제작기술이다. 본 연구에서는 8 자형 코일 한 쌍과 특정 방향으로 인가되는 자기장을 갖는 두 개의 영구자석 배열로 구성되는 트랜스듀서를 개발하였다. 일련의 실험을 통해 제안한 방식의 타당성을 검증하고 성능을 평가하였다.

제안 방법

비틀림 진동을 발생시키기 위해 파워 앰프에서 증폭된 120 μs 폭의 사각파를 가진용 트랜스듀서에 입력하였다.
제안한 트랜스듀서의 성능을 검증하기 위해 비자성 금속 배관에서 비접촉 비틀림 진동 시험을 수행하였다. 본 실험에서는 외경 25 mm, 두께 2 mm, 길이 1000 mm 의 알루미늄 배관을 사용하였다.
본 실험에서는 외경 25 mm, 두께 2 mm, 길이 1000 mm 의 알루미늄 배관을 사용하였다. 배관의 양단은 탄성줄로 지지하여 양단 자유단 상태를 구현하였으며, 비틀림 진동을 발생시키고 측정하기 위해 배관의 한쪽 끝단에서 각각 300 mm, 600 mm 떨어진 지점에 가진용, 측정용 트랜스듀서를 설치하였다.
다음으로 고유 모드를 추출하기 위해 배관의 한 지점에 가진점을 설정하고 길이 방향으로 50 mm 간격으로 측정점을 변경해 가면서 진동 신호를 측정하였다. 제안한 방식을 이용하여 실험적으로 구한 비틀림 진동 모드 형상을 정규화하여 이론적인 고유모드 형상과 비교해 보았다 (지면상 그림 생략).

대상 데이터

이에 본 연구에서는 저주파 영역에서도 적용이 가능한 새로운 형상의 전자기 음향 트랜스듀서를 제안하였다. 제안한 트랜스듀서는 Fig. 1 과 같이 8 자형 코일 한 쌍과 두 개의 영구 자석으로 구성된다. 이 트랜스듀서를 Fig.
제안한 트랜스듀서의 성능을 검증하기 위해 비자성 금속 배관에서 비접촉 비틀림 진동 시험을 수행하였다. 본 실험에서는 외경 25 mm, 두께 2 mm, 길이 1000 mm 의 알루미늄 배관을 사용하였다. 배관의 양단은 탄성줄로 지지하여 양단 자유단 상태를 구현하였으며, 비틀림 진동을 발생시키고 측정하기 위해 배관의 한쪽 끝단에서 각각 300 mm, 600 mm 떨어진 지점에 가진용, 측정용 트랜스듀서를 설치하였다.

데이터처리

따라서 우리는 본 연구에서, 전자기 음향 연성 현상을 이용하여 대상체인 축 또는 배관에 어떤 것도 부착하지 않은 상태에서 비접촉으로 비틀림 진동을 발생시키고 측정하는 비접촉식 비틀림 진동 모달 테스팅 기법을 제안하고자 한다. 제안한 방식이 낮은 주파수부터 상당히 높은 주파수 영역에서 유용하다는 점을 일련의 실험을 통하여 밝혔으며, 얻은 비틀림 진동 모달 테스팅 결과를 이론적으로 구한 결과와 비교하였다.⁽³⁾
비틀림 진동을 발생시키기 위해 파워 앰프에서 증폭된 120 μs 폭의 사각파를 가진용 트랜스듀서에 입력하였다. 이 때 입력된 신호와 측정용 트랜스듀서에서 측정된 신호를 이용하여 주파수 응답 함수를 계산하였으며 그 결과는 Fig. 2 와 같다. Figure 2 의 결과로부터, 제안한 트랜스듀서를 이용하여 구한 고유 진동수와 이론적인 고유 진동수가 매우 유사함을 확인할 수 있다.
다음으로 고유 모드를 추출하기 위해 배관의 한 지점에 가진점을 설정하고 길이 방향으로 50 mm 간격으로 측정점을 변경해 가면서 진동 신호를 측정하였다. 제안한 방식을 이용하여 실험적으로 구한 비틀림 진동 모드 형상을 정규화하여 이론적인 고유모드 형상과 비교해 보았다 (지면상 그림 생략). 본 실험을 통해 구한 모드 형상이 이론으로 구한 모드 형상과 매우 잘 일치하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 8 자형 코일 한 쌍과 특정 방향으로 인가되는 자기장을 갖는 두 개의 영구자석 배열로 구성되는 트랜스듀서를 개발하였다. 일련의 실험을 통해 제안한 방식의 타당성을 검증하고 성능을 평가하였다.

성능/효과

제안한 방식을 이용하여 실험적으로 구한 비틀림 진동 모드 형상을 정규화하여 이론적인 고유모드 형상과 비교해 보았다 (지면상 그림 생략). 본 실험을 통해 구한 모드 형상이 이론으로 구한 모드 형상과 매우 잘 일치하는 것을 확인하였다.

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