유한 너비 판을 갖는 웨이브가이드 센서의 판파 전파 특성 해석 및 실험

박상진,주영상,김회웅,김성균 한국비파괴검사학회 2019 한국비파괴검사학회지 Vol.39 No.5

Guided waves have been utilized for the effective non-destructive inspection and structural health monitoring of huge industrial structures for several reasons, such as the long propagation ability, and they have also been used in waveguide sensors for inspection or measurement under hostile conditions such as high temperature and highly radioactive environments. Waveguide sensors have used many different kinds of waveguide geometries, and a sensor using a finite-width plate has been reported recently. The waveguide sensor with a finite-width plate uses a Lamb wave, the guided wave formed in the plate, but it has different propagation characteristics from those in an infinitely wide plate, because of the narrow plate width. Therefore, for the design and performance improvement of the waveguide sensor, it is necessary to understand and study the propagation characteristics of the Lamb wave in the finite-width plate. In this study, theories about the Lamb wave in a finite-width plate were investigated, and the dispersion curves in a finite-width plate were numerically calculated. From the obtained dispersion curves, the existence of the width modes and the variations of dispersion characteristics depending on the plate width were identified. It was demonstrated experimentally that the theoretically predicted high-order width modes were generated at once and propagated together in the laser-scanning experiments on Lamb wave propagation measurements in a finite-width plate. 유도초음파는 장거리 전파 능력과 같은 여러 장점에 의해 대형 산업구조물들에 대한 비파괴검사, 구조물건전성감시에 활용되고 있으며, 고온, 고방사능과 같은 특수한 환경에서의 원격 검사 혹은 계측을 위한 웨이브가이드 센서에서도 이용되고 있다. 웨이브가이드 센서는 다양한 종류의 웨이브가이드 구조물을 사용하고 있으며, 최근에는 유한 너비 판을 사용하는 센서들이 제시되고 있다. 유한 너비 판을 갖는 웨이브가이드 센서는 판에서 형성되는 유도초음파인 판파를 사용하지만 좁은 폭의 판을 사용하기 때문에 무한 너비 판에서의 판파와는 다른 전파 특성을 갖는다. 따라서 웨이브가이드 센서 설계 및 성능 향상을 위해서는 유한한 너비 판에서의 판파 전파 특성에 대한 이해와 연구가 선행되어야 한다. 본 논문에서는 유한 너비 판에 대한 이론들을 조사 분석하였으며 분산선도를 수치적으로 계산하였다. 계산된 분산선도로부터 너비방향 파동모드 존재와 판의 너비에 따른 분산 특성의 변화를 확인하였고, 레이저 스캐닝 실험을 통해 유한 너비 판에서 전파하는 판파를 측정함으로써 이론적으로 예측되는 너비방향 고차모드들이 동시에 생성되고 함께 전파하는 것을 실험적으로 확인하였다.

유한 너비 판에서 판파의 공간적 맥놀이 전파 거동 및 실험적 검증

박상진(Sang-Jin Park),주영상(Young-Sang Joo),김회웅(Hoe-Woong Kim),김성균(Sung-Kyun Kim),이제환(Jewhan Lee) 한국비파괴검사학회 2021 한국비파괴검사학회지 Vol.41 No.5

판파는 이론적으로 무한한 너비를 갖는 자유 상태의 평판에서 두께방향으로 모드(mode)를 형성하며 전파하는 유도파(guided wave)이다. 그러나 실제 적용에서 무한 너비 판은 존재할 수 없으며 대부분의 판 구조물들은 유한한 너비를 갖는다. 이러한 유한한 너비를 갖는 판 구조물에서의 판파는 엄밀하게 무한 너비 판에서의 판파와 다른 전파 특성을 가지며 판 두께 대비 너비 비율이 작아질수록 그 차이는 커진다. 특히, 유한 너비 판에서의 판파는 너비방향으로 추가적인 모드들을 형성하고, 형성된 너비방향 모드들은 모드 밀집도를 증가시킨다. 이로 인해 유한 너비 판에서는 단일 모드의 선택적 가진이 어려워지고 다중 모드들이 동시에 가진되며 이 모드들이 서로 중첩되어 전파할 수 있다. 본 연구에서는 유한 너비 판에서 다중 판파 모드들이 중첩되어 전파하며 나타나는 공간적 맥놀이 전파 거동을 전산적으로 분석하였으며, 레이저 스캐닝 변위계를 이용해 실험적으로 검증하였다. 결과적으로, 판파 전파 거동에 대한 전산 분석결과는 실험 결과와 잘 일치하였고, 유한 너비 판의 너비에 따라 판파의 공간적 맥놀이의 길이가 변화되는 것을 확인하였다. Theoretically, a Lamb wave is a guided wave that travels in a free flat plate with an infinite width, having thickness modes confined by the top and bottom boundaries. However, plates with infinite width do not exist in practical application and most plate structures have finite widths. In these plate structures with finite widths, the propagation characteristics of Lamb waves are extremely different from those in an infinite plate and the difference increases as the plate width gets narrower. Specifically, Lamb waves in a finite width plate form additional width modes confined by both lateral sides and the width modes lead to an increase in modal density. Consequently, it becomes more difficult to selectively excite a single Lamb wave mode, and multiple modes can be excited together and propagated with mode superposition. In this work, the propagation behavior of spatial beating caused by the mode superposition of the multiple Lamb wave modes in a finite width plate was numerically investigated and experimentally validated using a laser scanning vibrometer. The computational results on the propagation behavior of the Lamb waves agreed well with the experimental results, and it was validated that the spatial beating length of the Lamb waves varied with the plate width of the finite width plate.

판재의 초음파 비선형 특성평가를 위한 Lamb Wave 기법

이태훈(Taehun Lee),김정석(Chung Seok Kim),장경영(Kyung-Young Jhang) 한국비파괴검사학회 2010 한국비파괴검사학회지 Vol.30 No.5

음향 비선형성은 재료 물성의 미세한 변화에 민감하기 때문에, 이를 측정하는 비선형 초음파 기술은 재료의 열화나 피로를 평가할 수 있는 기법으로 연구되어 왔다. 하지만 벌크파를 이용하는 일반적인 비선형 초음파 기법은 얇은 판재에 적용하는 것에는 여러 한계가 있다. 이와 같은 경우에는 비선형 Lamb 파의 사용을 생각할 수 있지만, Lamb 파는 벌크파와 매우 다른 전파 특성을 가지고 있어 그 비선형 특성에 대한 별도의 연구를 필요로 한다. 이를 위해 본 연구에서는 Lamb 파에서 비선형성에 의해 전파하면서 누적 성장할 수 있는 2차 고조파 모드의 발생 조건을 분석하였으며, 그 결과 네 가지 조건, 즉 (1) phase matching, (2) non-zero power flux, (3) group velocity matching, (4) non-zero out-of-plane displacement 를 제시하였다. 그리고 제시된 조건으로 알루미늄 판재에 대책 실험한 결과 이론 예측과 동일하게 전파 거리에 따라 2차 고조파 성분의 크기와 비선형 파라미터가 증가하였고, Al6061-T6 과 Al1100-H14에서 측정된 상대적인 비선형 파라미터의 비율이 이론적인 비율과 근접함을 보였다. Since the acoustic nonlinearity is sensitive to the minute variation of material properties, the nonlinear ultrasonic technique(NUT) has been considered as a promising method to evaluate the material degradation or fatigue. However, there are certain limitations to apply the conventional NUT using the bulk wave to thin plates. In case of plates, the use of Lamb wave can be considered, however, the propagation characteristics of Lamb wave are completely different with the bulk wave, and thus the separate study for the nonlinearity of Lamb wave is required. For this work, this paper analyzed first the conditions of mode pair suitable for the practical application as well as for the cumulative propagation of quadratic harmonic frequency and summarized the result in for conditions; (1) phase matching, (2) non-zero power flux, (3) group velocity matching, and (4) non-zero out-of-plane displacement. Experimental results in aluminum plates showed that the amplitude of the secondary Lamb wave and nonlinear parameter growed up with increasing propagation distance at the mode pair satisfying the above all conditions and that the ration of nonlinear parameters measured in Al6061-T6 and Al1100-H15 was closed to the ratio of the absolute nonlinear parameters.

유한요소해석 및 방사음장해석에 의한 판형 웨이브가이드 센서의 방사 빔 조향 해석 및 실험적 검증

박상진,주영상,김회웅,박창규 한국비파괴검사학회 2022 한국비파괴검사학회지 Vol.42 No.6

A plate-type waveguide (WG) sensor is a remote ultrasonic inspection device developed for severe environments such as high temperature and high radioactivity. A WG sensor uses the ability of long-distance propagation of Ao-mode Lamb wave and phenomenon of leaky Lamb wave. In addition, it can steer the radiation beam based on the phase velocity dispersion characteristics of the Ao-mode Lamb wave. Particularly, the beam steering technique is an electrical steering method that can change the radiation angle depending on the excitation frequency without the physical movement of the sensor. In this study, we analyze the steering characteristics of the radiation beam radiated from the WG sensor using finite element analysis and Rayleigh-Sommerfeld integral (RSI) analysis. Two dimensional simulations for the Ao-mode Lamb wave propagation and radiation with three types of excitation frequencies are performed, and simulation results of the radiation beam profile are experimentally demonstrated using the measured underwater results. The radiation angle of the radiation beam profiles obtained from the constructed two analysis models corresponds well with that of the measurement results, and the radiation characteristics such as near-field distance are validated to change with a change in the radiation angle depending on the excitation frequency. 판형 웨이브가이드 센서는 고온, 고방사능과 같은 가혹한 환경에서 초음파 트랜스듀서에 어떠한 물리적 손상이나 성능 저하없이 검사할 수 있는 원격 초음파 검사 센서이다. 개발한 웨이브가이드 센서는 웨이가이드 판을 따라 전파하는 Ao-모드 판파의 장거리 전파 성능과 누설 판파 현상을 이용하며, Ao-모드 판파의 위상속도 분산특성을 기반으로 초음파 방사 빔을 조향할 수 있다. 특히 방사 빔 조향 기능은 센서의 기계적 구동없이 전기적으로 가진주파수를 조정하는 것만으로 방사 빔의 방출 각도를 바꿀 수 있다. 본 논문에서는 유한요소해석 및 RSI(Rayleigh-Sommerfeld Integral) 방사 빔 해석 모델을 구축하여 웨이브가이드 센서의 방사 빔 조향 특성을 분석하였다. 세 가지 가진 주파수 변화와 함께 Ao-모드 판파의 전파 및 방사현상에 대한 2차원 시뮬레이션을 수행하였고, 방사 빔 프로파일 시뮬레이션 결과를 수중에서 측정된 방사 빔 프로파일과 비교하여 해석결과를 검증하였다. 구축한 두 모델로부터 얻은 방사 빔 프로파일의 방사각은 실험에서 측정한 결과와 잘 일치하였으며 가진 주파수 변화에 따라 방사 각도도 변화하지만 근거리음장 거리와 같은 방사 특성도 같이 변화한다는 사실을 확인하였다.

웨이브가이드 센서의 판파 전파 및 방사에 관한 연구

배진호(Jin-Ho Bae),주영상(Young-Sang Joo),김종범(Jong-Bum Kim) 대한기계학회 2012 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2012 No.5-3

The new plate-type ultrasonic waveguide sensor has been developed for the versatile applications in an under-sodium viewing of a sodium-cooled fast reactor. In this study, the experimental and numerical study of the propagation and radiation beam profile of A0 leaky Lamb wave in a plate waveguide sensor has been carried out. A novel technique which is capable of steering a radiation beam of a waveguide sensor without a mechanical movement can be achieved by a frequency tuning method of the excitation pulse in the dispersive low frequency range of the A0 Lamb wave. The ANSYS-LSdyna FEM code was used in this numerical simulation for the dynamic transient analysis of the ultrasonic wave propagation.

판형 고체내 탄성파동의 산란해석

조윤호(Younho Cho),LIANJI JIN,최영권(Youngkwon Choi) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

Mode conversion was studied with thin plate defects by using lamb wave scattering analysis. Phase velocity dispersion curve and group velocity dispersion curve of material were calculated for lamb wave scattering analysis. A defect shape was obtained from boundary element method (B.E.M) with respect to reflection and transmission factor. Time domain wave analysis was also performed with scattering field modeling and inverse fast fourier transform (IFFT). A feasibility of lamb wave technique was discussed for various practical application including defect classification.

판의 충격위치 추정을 위한 시간반전 램파의 공간모임성능 규명

박현우(Park, Hyun Woo) 한국소음진동공학회 2011 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.10

Researches using time reversal acoustics (TRA) for impact localization have been paid attention to recently. Dispersion characteristics of Lamb waves, which restrict the utility of classical nondestructive evaluation based on time-of-flight information, can be compensated through the application of TRA to Lamb waves on a plate. This study investigates the spatial focusing performance of time reversal Lamb waves on a plate using finite element analysis. In particular, the virtual sensor effect caused by multiple wave reflections at the boundaries of the plate is shown to enable the spatial focusing of Lamb waves though a very small number of surface-bonded piezoelectric (PZT) sensors are available. The time window size of forward response signals, are normalized with respect to the number of virtual active sensors. Then their effects on the spatial focusing performance of Lamb waves are investigated.

유도초음파의 감쇠계수에 대한 실험적 고찰

이동진(Dong Jin Lee),조윤호(Younho Cho),이준현(Joon Hyun Lee),신동철(Dong-Chul Shin) 한국비파괴검사학회 2009 한국비파괴검사학회지 Vol.29 No.5

일반적인 산업현장에서 내부결함 평가를 위해 사용되어온 유도초음파기법은 비결함 지역에서는 에너지 감쇠를 고려하지 않고 적용되어 왔다. 결함 지역에서의 신호는 산란과 반사에 의해서 분명한 감쇠가 발생하지만 비결함 지역에서도 작은 감쇠가 발생한다. 또한 분산선도에서 판파(Lamb wave)는 각 두께, 주파수에 의해 분산성이 달라지기에 각 모드에 적합한 감쇠계수를 찾는 것은 중요하다. 이를 위해 접촉식 PZT(piezoelectric)센서를 이용한 pitch-catch 방식으로 거리에 따른 각 모드의 감쇠계수를 구하였다. 본 연구에서는 흔히 쓰이는 알루미늄과 구리판으로, 두께 차이, 모드 차이, 재질 차이에 의한 실험적인 감쇠율을 구하는데 중점을 두었다. 그 결과 각 변수에 따라 감쇠계수는 달라지며, 정량화가 필요하다는 것을 확인하였다. In general, ultrasonic guided wave techniques that used for an evaluation of the internal defect have been applied without considering energy loss. It can be found out that the significant attenuation is observed in the signal of structure with defect by the scattering and absorption. Even in the signal acquired from defect-free structure, this attenuation can be also significant. Therefore, it is very essential to determine the Lamb wave propagation characteristics depending on modes because the dispersibility of Lamb wave can be easily influenced by the attenuation effect with frequency and thickness. For this reason, changing the propagation distance, attenuation coefficient of each Lamb wave mode needs to be investigated by the contact pitch-catch method with PZT(piezoelectric) sensors. In this paper, the experimental attenuation coefficient is measured by choosing the following three different variables; mode, thickness and plate materials. As a result, experimental attenuation coefficient is obtained as the function of variables.

유한요소법을 통한 판에서 시간반전 램파의 공간집속성능 규명

최정희(Choi, Jeong-Hee),이해성(Lee, Hae-Sung),박현우(Park, Hyun-Woo) 한국소음진동공학회 2011 한국소음진동공학회 논문집 Vol.21 No.12

Researches using time reversal acoustics(TRA) for impact localization have been paid attention to recently. Dispersion characteristics of Lamb waves, which restrict the utility of classical nondestructive evaluation based on time-of-flight information, can be compensated through the application of TRA to Lamb waves on a plate. This study investigates the spatial focusing performance of time reversal Lamb waves on a plate using finite element analysis. In particular, the virtual sensor effect caused by multiple wave reflections at the boundaries of a plate is shown to enable the spatial focusing of Lamb waves though a very small number of surface-bonded piezoelectric(PZT) sensors are available. The time window size of forward response signals, are normalized with respect to the number of virtual active sensors. Then their effects on the spatial focusing performance of Lamb waves are investigated.

고무 접합이 후방복사된 리키 램파 프로파일에 미치는 영향

송성진,김영환,권성덕,정민호 한국비파괴검사학회 2002 한국비파괴검사학회지 Vol.22 No.5

다층재료의 접합특성 평가는 오랫동안 많은 논의가 있어 왔는데, 본 연구에서는 후방복사 초음파 기술을 사용하여 여러 층이 있는 재료의 특성을 평가하기 위한 자동화된 시스템을 개발하고 스틸 판재와 고무가 접합된 스틸 판재의 후방복사 프로파일을 획득하였다. 후방복사의 rf 파형과 주파수 스펙트럼은 리키 램파 모드들의 특성을 나타내고 있다. 접합된 고무 두께의 증가에 따라 입사각이 13.4˚일 때의 후방복사 진폭이 지수적으로 감소함을 보이며 부분적으로 고무가 접합된 시편에서 선택되어진 입사각으로 입사위치를 바꾸어가며 스캐닝한 결과 정확하게 고무가 접합되어 있지 않은 지역을 결정할 수 있었다. 리키 램파에 의한 후방복사는 판재의 물성은 물론이고 다층 재료의 접합특성 평가에 활용할 수 있다. The characterization of adhesive property in multi-layer materials has been hot issue for a long time. In order to evaluate adhesive properties, we constructed fully automated system for the backward radiation of leaky Lamb wave. The backward radiation profiles were obtained for the bare steel plate and plates with rubber-loading. The rf waveforms and frequency spectra of backward radiation show the characteristics of involved leaky Lamb wave modes. As the thickness of rubber-loading increased, the amplitude of profile at the incident angle of 13.4˚ exponentially decreased. Scanning the incident position over the partially rubber-loaded specimen shows good agreement with the actual rubber-loading. The backward radiation of leaky Lamb wave has great potential to evaluate the adhesive condition as well as material properties of plates.