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탄소섬유 강화 플라스틱의 내부 결함 검사를 위한 단시간 푸리에 변환 기반의 주사음향현미경
강혁인(H. I. Kang),김상민(S. M. Kim),이주형(J. H. Lee) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)은 높은 기계적 강도 및 낮은 밀도 특성의 복합소재로 항공, 우주, 첨단기기 등에 다양하게 적용되고 있다. 이러한 CFRP 의 높은 신뢰성 확보를 위해서는 복합재 생산단계에서 내부결함검사가 필수적이며 이를 위해 엑스레이 기반의 단층촬영기법(CT), 주사음향현미경 등이 적용되고 있다. 기존에 사용되고 있는 X-ray 단층 촬영 기법은 높은 분해능으로 물체의 내부 구조를 검사할 수 있는 장점이 있으나 타 원리 대비 매우 고가이며, 검사 시 주사 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 본 연구에서는 주사음향현미경 하드웨어 시스템을 구축하고 단시간 푸리에 변환기법을 적용하여 고속으로 CFRP 의 3 차원 구조를 측정하였으며, 이를 통해 내부결함 유무 판별 및 결함 위치를 도출하였다. 주사음향현미경의 하드웨어는 초음파 신호를 송수신하는 트랜스듀서, 트랜스듀서 이송을 위한 스테이지, RF 신호 발생기, 그리고 데이터 수집 및 데이터 후처리단으로 구성되었다. 주사음향현미경의 분해능 향상을 위해 수집된 데이터에 단시간 푸리에 변환(Short-time Fourier Transform)을 적용하였으며 이를 통해 고속 주사로 인해 제한되는 데이터 획득시간에서도 고분해능으로 펄스 신호의 정점 도출이 가능하였다. 또한 긴 거리를 전파한 초음파 신호의 감쇠 효과를 보상하기 위해 시간 이득 보상(Time Gain Compensation) 알고리즘을 적용하였으며 이를 통해 CFRP 내부 3 차원 측정결과의 선명도 개선이 가능하였다.