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사각 및 위상배열 초음파탐상 신호와 유도초음파 분산 예측 기법에 관한 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 사각 및 위상배열 초음파탐상 신호와 유도초음파 분산 예측 기법에 관한 연구 | 2004 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 박준수(성균관대학교(자연과학캠퍼스)) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00001
Year(selected) 2004 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2005년 09월 23일
Year type 결과보고
Year(final report) 2005년
Research Summary
  • Korean
  • 본 논문에서는 사각탐상시험과 위상배열 초음파탐상 시험의 결함신호를 예측하고, 또한 유도초음파의 분산특성을 예측할 수 있는 새로운 모델링 기법을 제시하였다.
    1) 초음파 방사 모델은 초음파 빔이 초음파 탐촉자에서 발진하여 결함에 도달하기까지의 과정을 모델링 한 것으로서 초음파탐상 측정 모델을 구성하는 가장 중요한 인자 중 하나이다. 본 연구에서는 임계각 근처와 같이 투과계수가 급격히 변화는 환경에서 방사음장의 거동을 고찰하기 위해 철 시험편 내의 원통형 결함에 대한 예측 신호와 실험 신호를 비교하였다. MGB 모델은 paraxial 근사법을 이용하여 계산 시간 면에서 매우 빠른 반면 임계각 근처에서는 정확성이 떨어지는 단점이 있음을 확인하였다. 반면, GRSI 모델은 계산 시간이 상당히 오래 걸리지만 임계각 근처에서는 MGB 모델보다 더 정확하다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 본 논문에서는 임계각과 같은 환경에서는 계산 시간이 느리지만 정확성을 유지하기 위해서 GRSI 모델을 사용해야 한다는 것을 밝혔다.
    2) 표면개구균열에 대한 신호 예측을 위하여 MGB 모델과 GTD 기법을 접목한 새로운 사각 초음파 탐상 모델링을 제시하였다. 균열 코너 신호를 모델링하기 위하여 MGB 모델을 사용하였으며, 균열 선단에서 회절신호를 예측하기 위하여 탐촉자에서 가진되어 웨지와 고체시험편의 경계면을 지나 균열 선단에까지의 빔 음장은 MGB를 이용하여 계산하였고, 균열 선단에서 회절되는 현상은 GTD를 이용하였으며, 회절된 빔이 고체시험편과 웨지의 경계면을 지나 탐촉자의 표면에 도달하는 과정은 파선 추적을 이용하였다. 이 새로운 모델링 기법을 이용하여 예측한 결과를 실험 신호와 비교함으로써 제시한 기법의 타당성을 검증하였다.
    3) 위상배열 초음파탐상시험 신호예측을 위한 새로운 모델링 기법을 제시하였다. 위상배열 초음파탐상 빔의 조향과 집속을 위한 시간지연 기법을 제시하였으며, 이 시간지연 기법을 이용하여 RSI와 EMGB 모델로 배열탐촉자의 방사음장을 계산하였다. 그리고 위상배열 초음파탐상 시험을 이용하여 평면 원형 균열에서 얻게 되는 결함신호를 이론적으로 예측할 수 있는 새로운 기법을 제시하였다. 그리고 이 기법을 이용하여 단일 매질 내에 존재하는 원형평면 결함으로부터 얻을 수 있는 위상배열 초음파탐상 신호를 예측하였다. 본 절에서는 계산 시간이 매우 빠른 확장 다중가우시안 빔을 이용하여 위상배열 초음파탐상 시험의 방사음장과 신호예측을 수행하는 새로운 기법을 제시하였다.
    4) 복잡한 형상을 가진 파유도체에서 3-D FEM과 2-D FFT를 이용하여 분산선도를 구할 수 있는 새로운 기법을 제시하였다. 이 기법은 3-D FEM 해석을 수행하여 각 절점으로부터 전파방향을 따라 시간에 따른 변위 데이터를 획득한 후, 이 획득된 데이터에 대한 2-D FFT를 수행하여 k-f 분산선도를 구하는 것이다. 따라서, 본 기법은 단 한번의 3-D FEM 해석과 2-D FFT를 수행하여 분산선도를 구할 수 있는 매우 효율적인 방법이다. 이 기법의 정확성을 검증하기 위하여 잘 알려진 Gazis 해를 이용한 직관에서의 해석적 결과와 비교하였다. 또한, 이 기법을 해석적 방법으로는 계산할 수 없는 곡관과 도넛 모양의 관에 적용하여 각각 세가지 경로를 따라 진행하는 유도초음파의 분산선도를 획득하였다. 또한, 시간-주파수 기법인 웨이브렛 변환을 이용하여 모드를 확인하였으며, 그 결과가 2-D FFT 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.
  • English
  • In this study, new approaches to predicting angle beam and phased array ultrasonic testing signals are proposed for the reliable flaw signal identification and interpretation. Specifically, this paper present four new approaches including: 1) to verify the existing modeling method of ultrasonic testing at near critical angles, 2) to predict the angle beam ultrasonic testing signals from a surface breaking crack, 3) to calculate of phased array ultrasonic testing signals, and 4) to invoke guided wave ultrasonic testing dispersion.
    The major results obtained from the present study are as follows.
    1) Comparison of modeling approaches to ultrasonic testing at near critical angles
    This study discusses the modeling of ultrasonic testing with oblique incidence at the near critical angles using two approaches based on either the multi-Gaussian beam or the Rayleigh-Sommerfeld integral. The theoretical models that can predict the reflection signals from side drilled cylindrical holes in solid specimen immersed in water are developed. Then, the theoretical predictions for the oblique incidence at the near critical angles are compared to the experiments for the investigation of model behavior.
    2) Prediction of angle beam ultrasonic testing signals from a surface breaking crack
    This study proposes a new modeling approach to predict the angle beam ultrasonic pulse-echo signals that can be captured from a surface breaking, vertical crack in a plate specimen in a computationally efficient manner. For this purpose, the 3-D multi-Gaussian beam models are adopted to describe the reflected beam fields from the crack surface and the specimen bottom surface as well as the radiating beam field from the transducer, and the geometry theory of diffraction and 2-D ray methods to calculate the diffracted beam field from the crack tip. In addition, the characteristics of the ultrasonic testing system are considered in terms of the system efficiency factor. By combining these three ingredients, the surface breaking crack signals are predicted at different interrogating positions. The accuracy of the proposed models is verified by the initial experiments.
    3) Prediction of phased array ultrasonic testing signals
    Very recently, it has been developed the expanded multi-Gaussian beam model that can calculate the radiation beam field from a single, rectangular transducer with great computational efficiency. In this study, this model is adopted to calculate the radiation beam field from phased array transducers with various time delays to achieve steering and/or focusing. The calculation results are compared to those obtained by well known Rayleigh-Sommerfeld integral that provides the exact solution in order to explore the validity of the expanded multi-Gaussian beam model. Also, this study proposes a complete model that can predict the phased array ultrasonic testing signals for a circular crack using the expanded multi-Gaussian beam model in a computationally efficient manner.
    4) Prediction of guided wave ultrasonic testing dispersion
    In this study, a new approach to obtain the dispersion curves of a bent cylindrical pipe and doughnut-shaped pipe is proposed by the combination of 3-dimensional finite element modeling and 2-dimensional Fourier transform. The transient responses of the bent pipe and doughnut-shaped pipe are calculated by using a general-purpose finite element program, and the displacements are extracted at a series of sequential points as a function of spatial position and time. Then 2-dimensional time domain data are transformed via 2-D FFT to invoke the relation between wave number and angular frequency so that the phase velocity and group velocity can be calculated. In addition, verification of the result is made by the mode identification using wavelet transform. The modes determined by both methods agree very well.
Research result report
  • Abstract
  • 본 연구의 목표는 사각 및 위상배열 초음파탐상 시험신호를 예측하고 형상이 복잡한 파유도체 내를 전파하는 유도초음파의 분산특성을 예측하기위한 새로운 기법을 제시하는 것이다.
    1) 임계각 근처에서의 방사음장 예측기법 비교
    초음파 탐촉자의 방사음장 모델은 초음파 빔이 초음파 탐촉자에서 발진하여 결함에 도달하기까지의 전파 과정을 모델링 한 것으로서 초음파탐상시험 측정 모델을 구성하는 가장 중요한 인자 중 하나이다. 결함 주위의 방사음장을 예측하기 위하여 고주파수 근사에 근거한 일반화된 Rayleigh-Sommerfeld 적분(Generalized Rayleigh-Sommerfeld Integral, GRSI)이 사용되고 있다. 그러나, GRSI 모델은 계산 시간이 오래 걸리는 단점이 있기 때문에 최근에는 계산 시간이 매우 빠른 다중 가우시안 빔(Multi-Gaussian Beam, MGB) 모델이 많이 사용되고 있다. 두 모델의 예측 결과는 대부분의 실용적인 경우에 비슷하게 나오나, 투과계수가 급격히 변화는 임계각 근처에서는 두 모델의 예측 결과가 상이하게 나타날 수 있다. 따라서, 적절한 모델링 기법의 선택을 위해서는 이러한 차이를 명확히 규명해야할 필요가 있다. 본 논문에서는 MGB 모델과 GRSI 모델을 이용하여 임계각 근처에서의 결함 신호에 대한 신호예측 결과를 실험과 비교함으로써, 두 모델의 정확성을 검증한다.
    2) 사각탐상 시험을 이용한 표면개구 균열 신호 예측기법 연구
    철 구조물의 안쪽부터 성장하는 수직균열은 구조물의 건전성에 큰 영향을 주는 결함 중 하나로서 주로 사각 초음파탐상 시험을 이용하여 탐지한다. 그러나, 사각 초음파탐상 시험 시 획득한 표면개구균열 신호에는 균열선단에서의 회절신호, 균열 모서리에서의 반사신호 등 그 생성과정이 서로 다른 여러 가지 신호가 포함되어있다. 따라서, 결함의 위치 파악 및 크기산정을 정확히 수행하기 위해서는 결함 신호가 생성되는 과정을 명확히 규명하고 이를 이론적으로 예측할 수 있어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 균열 모서리에서 반사된 신호는 다중가우시안 빔 모델을 이용하여 신호를 예측하고, 균열선단에서의 회절신호는 다중가우시안 빔 모델과 기하학적 회절 이론(GTD: Geometry Theory of Diffraction)을 접목시켜 예측하는 새로운 기법을 제시한다.
    3) 위상배열 초음파탐상 시험 신호 예측 기법 연구
    위상배열 초음파탐상 기법은 시험편 내부의 영상을 실시간으로 볼 수 있는 독특한 장점을 가지고 있다. 그러나 현재의 위상배열 초음파탐상 기술로 획득하는 초음파 영상은 실제 결함의 형상과 매우 다를 수 있기 때문에, 위상배열 초음파탐상 시험에서도 여전히 A-scan 신호는 결과 해석을 위한 매우 중요한 정보로 활용되고 있다. 또한, 재료 내에서 위상배열 초음파 빔이 형성되어 전파되는 과정을 눈으로 볼 수 없기 때문에 검사자의 주관적‧경험적 판단을 기준으로 탐촉자를 적당한 위치에 놓고 검사를 수행하게 된다. 그렇기 때문에 빔이 집속되거나 조향되는 과정을 정량적으로 분석하지 못하여 결함검출이 어려워지고 결함이 검출되더라도 정확한 신호해석이 대단히 어렵게 된다. 따라서 빔의 전파과정을 가시화하고 신호를 예측 할 수 있는 모델링 기법은 위상배열 초음파탐상 시험에서 매우 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 계산시간이 빠른 확장 가우시안 빔 모델을 이용하여 위상배열 초음파탐상 시험의 방사음장을 계산하는 새로운 기법을 제시한다. 그리고, Kirchhoff 근사해를 이용하여 평면 원형균열에서의 산란음장을 계산한 후, 이를 통합하여 아주 빠른 시간 내에 위상배열 초음파탐상 신호를 예측할 수 있는 새로운 모델링 기법을 제시한다.
    4) 유도초음파 분산선도 예측 기법 연구
    일반적인 체적초음파의 경우와는 달리 유도초음파는 파유도체의 두께와 기하학적 구조, 그리고 주파수에 따라 전파 및 산란특성이 크게 변화한다. 또한 위상속도와 에너지가 전파하는 속도인 군속도가 서로 다르고, 넓은 주파수 영역에서 수많은 모드가 존재하며, 파유도체의 상태에 따라 민감한 변화를 보이는 등 유도초음파의 특성은 일반적인 체적 초음파에 비교하여 대단히 복잡하다. 따라서 유도초음파를 이용하여 초음파탐상 시험을 수행하기 위해서는 유도초음파의 전파특성이 반드시 먼저 규명되어야한다. 직관과 같은 단순한 모양의 관은 Gazis의 해를 이용하여 분산특성을 계산할 수 있으나, 곡관과 같은 복잡한 모양의 관은 해석적인 해로 분산특성을 구할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기위해 본 연구에서는 3-D Finite Element Method(FEM)과 2-D Fast Fourier Transform(FFT)를 이용하여 도넛 모양의 관과 곡관에서 전파하는 유도초음파의 분산특성을 예측하는 기법을 제시한다.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구의 결과는 초음파 비파괴평가에서 획득하는 결함신호와 분산선도를 이론적으로 예측하는 기법을 개발하였다. 이 연구의 결과는 다음과 같은 기대효과와 활용이 예견된다.
    - 현재의 초음파 비파괴평가의 결과 해석에 활용되는 결함신호에 대한 정량적 예측이 가능하게 되며, 또한 현재 작업자에 의해 주관적으로 이루어지고 있는 결함신호 해석에 대한 객관적 근거를 제공하게 된다.
    - 현재의 초음파 비파괴평가의 시험에서 획득하는 초음파 영상은 실제 결함의 영상 및 신호는 매우 다른데, 지금까지는 정량적으로 얼마만큼 달라질 것인가를 예측할 수 있는 방법이 없었다. 본 연구의 결과는 이에 대한 정량적 예측을 수행할 수 있는 근거를 마련해 줄 것이다.
    - 원전설비의 가동중 검사의 신뢰성을 확보로 생산상 향상과 비용 절감하며, 비파괴검사 작업자의 교육․훈련비용을 대폭 감소시킨다.
    - 나아가서는, 초음파 비파괴평가 시험의 객관적 신뢰성을 획기적으로 제고할 것이다.
  • Index terms
  • 비파괴평가, 모델링, 위상배열 초음파탐상, 유도초음파탐상 , 사각탐상
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