램파의 분산성과 파 반사가 시간반전과정에 미치는 영향의 이해

박현우,김승범,손훈,Park, Hyun-Woo,Kim, Sung-Bum,Sohn, Hoon 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.1

이 연구에서는 얇은 판형구조물의 손상탐지에 널리 사용되어오는 램파에 시간반전(time reversal)개념의 적용성을 이론적으로 규명한다. 고전적 시간반전 음향학에 의하면, 센서에서의 출력신호를 시간영역에서 반전 후 재입사시켜 원래의 가진점으로 돌려보내면, 그 가진점에서 원래 입력신호가 복원된다. 그러나 램파에 시간반전과정을 적용하게 되면 램파 고유의 분산성과 판 경계에서의 파 반사로 인해 시간반전성이 복잡한 양상을 띠게 된다. 이러한 램파의 시간반전성을 보다 잘 이해하기 위해 이 연구에서는 램파의 시간반전과정을 이론적으로 규명한다. 특히, 램파의 내부모드분산, 다중모드분산, 그리고 판 경계면에서의 램파의 반사가 시간반전성에 미치는 영향을 정식화하였다 간단한 수치예제를 통해 이 연구에서 제시된 이론적 발견들의 타당성을 검증한다. This study investigates the applicability of the time reversal concept in modem acoustics to the Lamb waves, which have been widely studied for defect detection in plate-like structures. According to conventional time reversal acoustics, an input signal can be reconstructed at an excitation point if an output signal recorded at another point is reversed in the time domain and emitted back to the original source point. However, the application of a time reversal process(TRP) to Lamb wave propagations is complicated due to velocity and amplitude dispersion characteristics of Lamb waves and reflections from the boundaries of a structure. In this study, theoretical investigations are presented to better understand the time reversibility of Lamb waves. In particular, the effects of within-mode dispersion, multimode dispersion, amplitude dispersion, and reflections from boundaries on the TRP are theoretically formulated. Simple numerical case studies are conducted to validate the theoretical findings of this study.

램파 혼합 기법을 이용한 알루미늄 합금의 부식 결함 검출에 대한 실험 연구

최희웅(Heeung Choi),이재선(Jaesun Lee),조윤호(Younho Cho) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.11

본 연구에서는 비선형 체적파 혼합 기법의 선행연구를 토대로 램파 기법에 적용하여 램파 혼합기법에 대한 연구를 수행하였다. 램파 혼합 기법의 타당성을 증명하기 위해 결함이 없는 시편과 부식에 의해 발생된 표면 결함이 있는 시편에 대해 실험을 진행하였다. 실험 대조군으로는 램파의 지배적인 면내변위와 면외변위를 가지는 모드 및 주파수로 선정하였다. 그 결과 램파 혼합 기법으로도 결함 검출이 가능하였고, 기존의 램파 기법의 경향성과 유사하게 나타났다. 그리고 이론과 동일한 지배적인 변위와 모드가 발생된 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 결함 검출 성능은 측정 방법 및 단순 모드 선정에 따라 결정되는 것이 아니라 변위 비율에 따라 결정된다. In this study, the Lamb wave mixing technique, which is basised on advanced research on the nonlinear bulk wave mixing technique, is applied for corrosion detection. To demonstrate the validity of the Lamb wave mixing technique, an experiment was performed with normal and corroded specimens. Comparison group in an experimentation are selected to mode and frequency with dominant in-plane displacement and out-of-plane displacement of Lamb waves. The results showed that the Lamb wave mixing technique can monitor corrosion defects, and it has a trend similar to that of the conventional Lamb wave technique. It was confirmed that the dominant displacement and mode matching the theory were generated. Flaw detectability is determined depending on displacement ratio instead of using the measurement method and mode selection.

후방복사를 이용한 램파의 위상속도 분산과 군속도의 측정

송성진,권성덕,정용무,김영환 한국음향학회 2003 韓國音響學會誌 Vol.22 No.1

유도초음파는 얇은 판재와 다층재료를 평가하는데 널리 사용되는데, 이를 정량적으로 이용하기 위해서는 위상 및 군속도의 분산 곡선은 필수적이다. 본 연구에서는 누수 램파의 후방복사 신호를 측정하기 위한 측정장치를 개발하였다. 시험편을 회전시켜서 입사각을 변화시켰으며, 2차원 평면에서 움직이면서 입사 위치를 바꾸었다. 광대역 초음파 탐촉자를 사용하여 탄성판에서 발생하는 누수 램파 후방복사 신호를 측정하였다. 입사각으로부터 위상속도가 결정되며, 이에 해당하는 램파의 특정모드가 판재 내에 강하게 발생되고, 이 램파는 시험편의 앞뒤로 진행하면서 물속으로 에너지를 방출한다. 동일한 탐촉자를 사용하여 누수 램파의 후방복사 신호를 검출하고, 이 신호의 주파수 성분은 분산곡선에 대한 정보를 지닌다. 입사각도와 수신된 파형의 주파수 분석을 통하여 램파의 위상속도 분산곡선을 구하였다. 또한 특정한 입사각에서 입사점을 변화시키면서 초음파 신호의 시간대역 이동으로부터 군속도를 측정하였다. The guided wave has been widely employed to characterize thin plates and layered media. The dispersion curves of phase and group velocities are essential for the quantitative application of guided waves. In the present work, a fully automated system for the measurement of backward radiation of LLW has been developed. The specimen moves in two dimensional plane as well as in angular rotation. The signals of backward radiation of LLW were measured from an elastic plate in which specific modes of Lamb wave were strongly generated. Phase velocity of the corresponding modes was determined from the incident angle. The generated Lamb waves propagated forward and backward with the leakage of energy into water. Backward radiated LLW was detected by the same transducer and its frequency components were analyzed to extract the related information to the dispersion curves. The dispersion curves of phase velocity were measured by varying the incident angle. Moving the specimen in the linear direction of LLW propagation, group velocity was determined by measuring the transit time shift in the ultrasonic waveform.

비선형 램파의 응력 의존거동 분석을 위한 유한요소해석

강명수 ( Kang Myung Soo ),아자드알리 ( Azad Ali ),안윤규 ( An Yun-kyu ) 한국구조물진단유지관리공학회 2021 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.25 No.2

비선형 유도초음파는 대상 구조물의 온도 및 응력 상태 변화에 대해 민감한 것으로 알려져 있다. 이와 같은 비선형 유도초음파 특성을 활용하여 다양한 구조물 건전성 평가에 대한 연구가 진행되고 있으나, 그 성분의 크기가 선형 초음파에 비해 월등히 작아 실제 현장에서 신뢰도 높은 비선형 초음파 성분을 추출하는데 기술적으로 어려움이 따른다. 특히, 얇은 판재에서 전파되는 램파는 벌크파를 이용하는 일반적인 비선형 초음파 기법과 매우 다른 전파 특성을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 비선형 램파 성분을 추출하기 위한 최적의 파라미터를 산출하고, 응력에 대한 램파의 비선형 거동 특성을 분석함으로써 실제 현장에서 활용 가능한 비선형 램파의 방법론을 제시하고자 한다.

능동 램파 전파에 기초한 강판의 구조건전성 모니터링

정운(Jeong Woon),서주원(Seo Ju-Won),김형윤(Kim Hyeung-Yun) 대한토목학회 2009 대한토목학회논문집 A Vol.29 No.5A

본 연구는 유도초음파를 기반으로 한 구조물 건전성 모니터링 알고리즘 검증에 관한 것이다. 유도초음파 중 램파를 기반으로 하는 능동검사시스템을 사용하였으며 본 알고리즘의 적용에 관한 기초연구로서 강판에 표면결함인 원형노치를 감지하는 실험을 수행하였다. Pitch-catch방법으로 강판 표면 원형노치에 대한 손상 탐상을 수행하여 손상전후의 S?모드를 비교함으로써 손상 특성을 파악하며 손상전후 신호의 수학적 차에 의해 구한 산란램파(scatter)에 의해 손상을 평가할 수 있다. 손상전후 신호의 S?모드 램파를 분석하기 위해서 연속 가보 웨이블릿 변환을 사용하여 전파시간을 구할 수 있다. 본 알고리즘은 손상모니터링 다각형과 Pitch-catch 방법을 기초로 하며 손상 위치표정값들의 평균과 표준편차에 의해 손상위치표정 및 크기를 정확히 추정 가능함이 검증되었다. This paper is the study on the verification of structural health monitoring (SHM) algorithm based on the ultrasonic guided wave. An active inspection system using Lamb wave (LW) for SHM was considered. The basic study about the application of this algorithm was performed for detecting the circular notch defect in steel plate. LW testing technique, pitch-catch method, was used for interpretation of circular notch defect with depth of 50% of plate thickness and 7 ㎜ width. Damage characterization takes place by comparing S? mode sensor signals collected before and after the damage event. By subtracting the signals of both conditions from each other, a scatter signal is produced which can be used for damage localization. The continuous Gabor wavelet transform is used to attain the time between the arrivals of the scatter and sensor signals. A new practical damage monitoring algorithm, based on damage monitoring polygon and pitch-catch method, has been proposed and verified with good accuracy. The possible damage location can be estimated by the average on calculated location points and the damage extent by the standard deviation.

복합재 평판의 두께변화가 램파의 전파에 미치는 영향

한정호(Jeongho Han),김천곤(Chun-Gon Kim) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.6

본 연구는 두께변화가 있는 복합소재 평판을 전파하는 램파의 전파특성을 실험을 통하여 살펴보았다. 상용 항공우주구조물에는 두께변화가 존재하는 부품이 많이 사용되고 있고 구조변화에 의해 두께가 변할 수도 있기 때문에 구조건전성 모니터링을 위하여 램파를 사용하고자 한다면, 이러한 구조물에 대한 램파의 특성을 면밀히 분석해 볼 필요가 있다. 본 연구는 앓은 두께의 PZT를 구조물 표면에 부착하여 실험을 수행하였다. 두께변화가 있는 전파경로를 선택하여 측정된 신호의 전파속도 및 주파수 분석 결과를 이상적 전파조건과 비교를 통하여 두께변화가 존재하는 영역에서 전파특성의 변화가 이루어지는 과정 중에 전이영역이 발생함을 제시하였다. This study experimentally investigates the characteristics of Lamb wave propagating in a composite plate of varied thickness. In practical aerospace structures, there are so many parts that have varied thickness. Therefore, in order to employ the Lamb wave in a structural health monitoring of those parts, it is necessary to understand correctly the characteristics of Lamb wave for the structure with thickness variation. Thin surface-bonded piezoelectric transducers, which have great potential in integrated monitoring systems for structural health, were used to generate and receive Lamb waves. The predicted propagation velocity under the assumptions of ideal mode conversions was compared with the experimentally measured one. The validity of the results was supported by the frequency analysis of the signals. Consequently, the results show that the transient region is occurred when Lamb waves propagate across the region that thickness variation over some gradient exists.

선택적 가진과 센싱을 이용한 두께가 변하는 판에서의 램파 전달 이해

박현우,강주성,손훈 東亞大學校 建設技術硏究所 2009 硏究論文集 Vol.32 No.2

상대적으로 넓은 탐지 범위와 실시간 감시에 대한 잠재력 때문에 유도파가 비파괴검사 분야 에서 주목을 받고 있다. 그러나 비파괴 검사에 유도파를 사용할 때 대상구조물은 주로 두께가 일정한 판 구조물에 국한되어 왔다. 두께 변화를 가지는 복잡한 판 구조물에서 파 전달 특성에 대한 이해는 상대적으로 부족한 실정이다. 이 논문에서는 보강재, 변단면, 노치에 의해 두께 변화가 생기는 판에서 램파의 전달 특성을 이해하기 위해 수치해석을 수행한다. 특히, 판에 부착된 압전소자를 통해 램파를 발생시키고 탐지하여 판 두께의 변화가 램파의 전달에 미치는 영향을 요인별로 분석하였다. 마지막으로 보강재가 있는 판에서도, 압전소자의 선택적 배치를 통해 손상에 의해서 발생한 램파의 모드만을 분리할 수 있음을 보인다.

대구경 선집속 탐촉자를 이용한 실리콘 웨이퍼에서의 램파 전파 특성 분석

정윤재,양승수,유민재,김영환,Chung, Yoonjae,Yang, Seung Soo,Yu, Minjae,Kim, Young H. 한국음향학회 2018 韓國音響學會誌 Vol.37 No.4

본 연구에서는 이방성 매질인 (100), (111) 방향의 실리콘 웨이퍼에서 램파의 전파 특성을 PVDF-(Polyvinylidene Fluoride) 선집속 탐촉자를 이용하여 분석하였다. 램파가 분산성을 가지기 때문에 탐촉자와 시편 사이의 거리 z를 바꿔가며 측정하는 V(f,z)방법을 변형하여 사용하였다. 또한 이방성을 확인하기 위해 선집속 탐촉자가 사용되었고, 실리콘 웨이퍼를 $1^{\circ}$ 간격으로 $180^{\circ}$ 회전시켜 측정하였다. 실험 결과, $A_0$ 모드와 $S_0$ 모드를 확인할 수 있었다. $S_0$ 모드의 속력 분포에서 각 결정 방향의 구조와 연관된 이방성을 확인할 수 있었고, $A_0$ 모드의 속력은 등방성으로 나타났다. 이는 실리콘의 결정구조와 램파의 각 모드의 진동양상과 부합하는 결과이다. In this study, the propagation characteristics of Lamb waves in anisotropic silicon wafers of (100) and (111) direction were investigated by PVDF (Polyvinylidene Fluoride) line-focused transducer. The modified V(f,z) method was used because the Lamb waves are dispersive. For confirming the anisotropy, a line-focused transducer was used and the silicon wafer was rotated 180 degrees at intervals of 1 degree. As a result, $A_0$ and $S_0$ modes were observed. The speed of $S_0$ mode according to propagation direction showed anisotropy which is associated with the crystal structure, and the speed of $A_0$ mode was isotropic. The result is consistent with the crystal structure of silicon and the mechanism of vibration of each Lamb wave modes.

불연속면에서 램파의 반사와 투과에 대한 정량적 추정

임형진(Hyung Jin Lim),손훈(Hoon Sohn) 한국비파괴검사학회 2010 한국비파괴검사학회지 Vol.30 No.4

램파를 구조물 안전진단(structural health monitoring, 이하 SMH) 기법에 효과적으로 적용하기 위해서 구조물의 손상과 램파간의 물리적 특성 및 상호관계를 정확히 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 modal decomposition 방법을 이용하여 비대칭 불연속면에서 램파의 투과와 반사, 모드 변이를 모사하고, 그 진폭 비율을 불연속면의 깊이에 따라 예측하였다. 또한 이론적으로 예측된 결과를 압전센서(PZT)를 모사한 유한요소법(FEM) 모델과 실험을 통해 검증하였다. 그 결과, modal decomposition 방법을 이용한 이론적 예측이 압전센서를 이용한 유한요소 해석 및 실험 결과와 근접한 것을 확인하였으며, 불연속면의 깊이에 따른 램파의 반사와 투과, 모드 변이의 양을 이용하여 손상의 크기를 정량적으로 측정할 수 있는 방법을 제안하였다. For the application of Lamb wave to structural health monitoring(SHM), understanding its physical characteristic and interaction between Lamb wave and defect of the host structure is an important issue. In this study, reflected, transmitted and mode converted Lamb waves at discontinuity of a plate structure were simulated and the amplitude ratios are calculated theoretically using Modal decomposition method. The predicted results were verified comparing with finite element method(FEM) and experimental results simulating attached PZTs. The result shows that the theoretical prediction is close to the FEM and the experimental verification. Moreover, quantitative estimation method was suggested using amplitude ratio of Lamb wave at discontinuity.

압전센서를 이용한 구조물 국부/광역 손상 진단 시스템

김병수,권혁상,김진욱,노용래,Kim, Byung-Soo,Kwon, Hyeok-Sang,Kim, Jin-Wook,Roh, Yong-Rae 한국음향학회 2009 韓國音響學會誌 Vol.28 No.4

본 논문에서는 오실레이터 센서와 램파 센서를 결합하여 구조물 손상 진단을 위한 통합된 압전 센서 시스템을 제안한다. 구조물 손상으로 인한 공진주파수 변화를 관측 할 수 있는 오실레이터 센서는 손상 정도에 민감하게 반응하고 구조가 단순한 장치이지만 측정 범위가 센서 주위로 제한되는 특성을 가진다. 반면에 램파를 이용한 진단 시스템은 원거리에 위치한 구조물의 손상부를 감지하기에 유용하다. 본 논문에서는 오실레이터 센서를 이용한 취약 지점의 국부적인 손상 진단 방식과 램파를 이용한 광역적인 손상 진단 방식을 결합하여 각 시스템의 장점들을 활용할 수 있는 센서 시스템의 적용가능성을 연구하였다. PZT소자를 알루미늄 판에 적용하여, 알루미늄 판의 손상 정도에 따른 오실레이터 공진주파수의 변화와 램파 신호의 Time of flight 그리고 진폭의 변화를 이용하여 크랙의 위치와 크기, 개수의 판별 가능성을 제시하고 실험을 통하여 그 타당성을 검증하였다. In the present work, a sensor system composed of an oscillator sensor and a Lamb wave sensor is proposed for the purpose of structural health monitoring. The oscillator sensing system detecting the shift of a structural resonant frequency in proportion to the amount of defects in the structure is a pretty sensitive and simple device, but its detectable range is limited to its local zone. The Lamb wave sensor system, however, is applicable to global detection of the defects. This study is aimed at investigating the feasible combination of the two systems to exploits their merits simultaneously. The scheme to use PZT patches as the oscillator sensor as well as the Lamb wave sensor was proposed to identify the position, length and number of cracks by means of TOF and amplitude of signals, and its validity was confirmed through experiments.