초록 ▼

단일 주파수를 갖는 유한 진폭의 초음파가 매질 내부를 전파할 때 재료 물성의 비선형성으로 인하여 고조파가 발생하게 된다. 피로, 열화, 크리프 등의 손상은 고조파의 발생에 추가적인 영향을 미치며, 기본주파수와 제2고조파의 진폭의 함수로 정의되는 비선형 파라미터는 손상 정도를 나타내는 척도로 흔히 사용되고 있다. 그러나 비선형 초음파 기술은 실제 적용이 쉽지 않고 신뢰성과 반복성이 낮아 아직까지 실험실 수준에 머무르고 있는 실정이다. 또한 투과법으로 상대적 개념의 비선형 파라미터 측정이 대부분을 차지하고 있다. 따라서 펄스-에코 모드

단일 주파수를 갖는 유한 진폭의 초음파가 매질 내부를 전파할 때 재료 물성의 비선형성으로 인하여 고조파가 발생하게 된다. 피로, 열화, 크리프 등의 손상은 고조파의 발생에 추가적인 영향을 미치며, 기본주파수와 제2고조파의 진폭의 함수로 정의되는 비선형 파라미터는 손상 정도를 나타내는 척도로 흔히 사용되고 있다. 그러나 비선형 초음파 기술은 실제 적용이 쉽지 않고 신뢰성과 반복성이 낮아 아직까지 실험실 수준에 머무르고 있는 실정이다. 또한 투과법으로 상대적 개념의 비선형 파라미터 측정이 대부분을 차지하고 있다. 따라서 펄스-에코 모드와 같은 반사모드에서 재료 또는 미세손상으로 인한 제2고조파의 진폭을 측정가능한 수준의 크기로 증가시켜 비선형 파라미터를 정확하게 측정할 수 있는 반사모드 비선형 초음파 진단기술을 다음과 같이 개발하였다.

- 단일 및 이중요소 탐촉자의 응력 자유 경계면 반사 음장 해석 이론 개발-기본 및 제2고조파 음장, 반사모드의 비선형 파라미터 식 유도, 회절 및 감쇠 보정 식, 해석에 기초한 탐촉자 제작과 베타 측정

- 배열형 탐촉자의 응력 자유 경계면 반사 음장 해석 이론 개발, 이중 요소 탐촉자를 이용한 두꺼운 고체 시편의 베타 측정, 투과법과 비교

- 얇은 시편의 베타 측정을 위한 이중요소 탐촉자 및 배열형 탐촉자의 최적 설계, 제작, 베타 측정 (목표 두께=1 cm)

- 배열형 탐촉자의 빔 집속 성능 향상을 위한 첨단 신호처리. 위 이론과 실험 기술이 집약된 반사모드 진단 장치 구축, 개발된 기술 및 장치의 성능 평가 (투과법 대비 10% 이내의 정확도를 갖는 베타 측정 기술 확보)

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

When a finite amplitude ultrasonic wave with a single frequency propagates inside a medium, harmonics are generated due to the nonlinearity of material properties. Damages such as fatigue, heat treatment, and creep have an additional effect on the generation of harmonics. The nonlinear parameter def

When a finite amplitude ultrasonic wave with a single frequency propagates inside a medium, harmonics are generated due to the nonlinearity of material properties. Damages such as fatigue, heat treatment, and creep have an additional effect on the generation of harmonics. The nonlinear parameter defined as a function of the amplitudes of he fundamental and second harmonic waves are commonly used as a measure of the degree of damage. However, nonlinear ultrasound technology is not easy to apply to testing materials in practical situation, and it is still at the laboratory level. In addition, most of the nonlinear parameter measurements are made in the through-transmission setup. Therefore, it is necessary to develop a nonlinear ultrasonic diagnostic technology capable of accurately measuring nonlinear parameters by increasing the amplitude of the second harmonic caused by material or micro damage in a reflection mode such as a pulse-echo setup.

For the field application and practice of nonlinear parameter measurements, there is a need to improve the existing through-transmission method. In other words, it is necessary to develop nonlinear ultrasonic theory and experimental technology that can accurately measure nonlinear parameters, which are quantitative measures of damage, using a focused beam in reflection mode such as pulse-echo method. The purpose of this study is to develop a nonlinear ultrasound diagnostic system based on the pulse-echo setup.

In order to measure nonlinear parameters as a means of quantitative evaluation of microdamage specimens in the reflection mode including pulse-echo mode, it is most important to increase the reception amplitude of the second harmonic to a measurable level through the optimum design of the sensor. At the same time, it is necessary to make the correction value for beam diffraction and material attenuation due to the ultrasonic attenuation close to one. For this purpose, the dual element transducer with separate transmission and reception functions is considered first, and the focused beam transducer which can collect the ultrasonic beam at any position inside the specimen using a few piezoelectric elements is further considered in this study.

The sound field analysis, design and fabrication of the transducer, and the measurement of nonlinear parameters were performed, and it was shown that the nonlinear parameters of the material in the pulse-echo mode can be accurately measured with less than 10% difference compared to the through-transmission results for the specimen with the target thickness of 1 cm.

1. Wave fields analysis of a single element transducer in the pulse-echo mode, and the measurement of the nonlinear parameter
- Wave fields analysis in the pulse-echo mode (planar transducer and focused transducer)
- Definition of β, and development of diffraction and attenuation corrections
- β measurements of water

2. Wave fields analysis of a dual element transducer in the pulse-echo mode, and the measurement of the nonlinear parameter β
- β measurements of thick samples (4 cm thick), and comparison with the through-transmission measurement results
- Design of dual element transducers for 1 cm thick samples and β measurements
- Fabrication of heat-treated, fatigued and plastically deformed samples, and measurements of their mechanical properties

3. Generation of focused ultrasound beam by array transducers, their fabrication, and β measurements for thin sample (target thickness=1 cm)
- Wave fields analysis, β definition, diffraction and attenuation corrections of array transducers
- Generation of focused ultrasound beam by array transducers - FZP and phased array
- Optimal design and fabrication of array transducers for focused beam generation and measurements
- Design and fabrication of specimen holding fixture

4. Setup of nonlinear ultrasonic diagnosis system in reflection mode
- GUI-based nonlinear diagnosis system setup
- Overall evaluation of developed diagnosis system
(obtained consistent results of β within 10% of transmission)
- User’s manual for β measurements in the pulse-echo mode

(출처 : SUMMARY 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 14
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 16
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 19
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 21
• 3.1절 단일 탐촉자를 이용한 펄스-에코 모드 측정 ... 21
• 1. 반사모드 음장 해석, 식의 정의, 회절 및 감쇠 보정 ... 21
• 2. 실험장치의 구성, 물에서의 측정 ... 24
• 3.2절 이중요소 탐촉자를 이용한 펄스-에코 모드 측정 ... 26
• 1. 반사모드 음장 해석, 식의 정의, 회절 및 감쇠 보정 ... 26
• 2. 두꺼운 시편(4 cm)의 측정, 투과법과 결과 비교 ... 33
• 3. 이중요소 탐촉자의 최적화와 얇은 시편(1 cm)의 측정 ... 39
• 3.3절 배열 탐촉자의 집속 빔 음장 해석과 탐촉자 제작 ... 42
• 1. 음장 해석, 식의 정의, 회절 및 감쇠 보정 ... 42
• 2. 집속 빔을 이용하여 측정을 위한 FZP 센서의 최적 설계 ... 53
• 3. FZP 탐촉자의 제작 ... 57
• 3.4절 반사모드 비선형 초음파 진단장비 구축 ... 60
• 1. GUI 기반 진단 장비 구축 ... 60
• 2. 반사모드 비선형 진단기술의 성능 종합 평가 ... 62
• 3. 펄스-에코 모드 측정을 위한 사용자 매뉴얼 ... 67
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 80
• 4.1절 목표달성도 ... 80
• 4.2절 관련분야에의 기여도 ... 81
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 82
• 5.1절 단기 활용계획 ... 82
• 5.2절 후속연구에의 활용 ... 82
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 83
• 제7장 연구장비의 구축 및 활용 결과 ... 84
• 제8장 참고문헌 ... 85
• 끝페이지 ... 93