Development of Advanced Techniques and System for Accurate Measurement of Acoustic Nonlinearity Parameter

Abstract

The nonlinear ultrasonic technique has been studied as a means to estimate micro-structural changes. It exploits an interaction between the distortion of a propagating ultrasonic wave into a material and the nonlinear behavior of the material. In the nonlinear ultrasonic technique, the acoustic nonlinearity parameter is used as an estimation factor, but it has been difficult to measure the acoustic nonlinearity parameter accurately because amplitude of a signal is a very low and it is sensitive to around environment. Therefore, in this study, the factors affecting measurement results are sorted as three categories: measurement environment, signal processing technique and ultrasonic wave field analysis, and then, the advanced techniques are proposed to measure accurately the acoustic nonlinearity parameter by controlling or correcting them. First, the driving amplitude condition is determined from the received fundamental amplitude. Then, the time of maintaining contact condition is verified and the specification of the amplitude resolution and sampling rate for the A/D converter are determined from simulation results. Second, the method of selecting the time width needed for accurate measurement of the transfer function are determined, and the transfer function measurement method using a tone-burst signal is proposed. Finally, to remove the second harmonic component in the incident wave, a numerical model of the fundamental and second harmonic wave with the incident second harmonic component is proposed, with the calculated ultrasonic field, including the diffraction effect. By finding the best-matched fitting curve for the modeled and experimental results, the experimental incident second harmonic amplitude is estimated and corrected. Furthermore, a quantitative measurement system process is developed by applying the proposed techniques. The system is designed to automatically perform the measurements with an increasing driving amplitude, input signal averaging, tone-burst signal processing, and the calculation of the acoustic nonlinearity parameter. The repeatability of this system is verified through random day and time measurements. In conclusion, the advanced techniques proposed in this study can measure acoustic nonlinearity parameters more accurately and are suitable for more general application in the industry field.|재료의 비선형적 거동에 의해 전파하는 초음파를 왜곡시키는 현상을 이용하는 비선형 초음파 기법은 재료의 미세구조의 변화를 비파괴적으로 평가하기 위한 방법으로 연구되어 왔다. 이 때, 초음파 비선형 파라미터는 비선형 초음파 기법에서 재료의 미세 변질을 평가하는 수단으로 활용하고 있지만, 매우 낮은 진폭을 측정해야 하며 환경에 매우 민감하여 정확한 측정을 하는데 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 측정에 영향을 끼치는 요소들을 측정 환경, 신호처리 기술, 초음파 음장 해석으로 나누어 분석하고 이들을 제어하거나 보정하여 정확한 초음파 비선형 파라미터를 측정하는 응용기술들을 개발하였다. 먼저, 측정 환경 요소들로, 가진 진폭 조건 선정 방법, 접촉압력을 유지하는 시간에 대한 검증, A/D 변환기의 샘플링 율과 진폭 해상도에 따른 결과 오차 시뮬레이션을 이용한 스펙 결정 방법에 대해 연구하였다. 둘째, 신호처리에서 정확한 전달함수의 측정을 위해, 수신된 신호의 시간 폭을 선정하는 방법에 대해서 연구하였다. 또한, 톤버스트 신호를 이용하여 전달함수를 측정하는 방법을 새롭게 제안하였다. 마지막으로, 입사파에 포함된 2차 고조파를 제거하는 방법을 개발하였다. 기본파 및 입사 2차 고조파, 재료에 의해 생성된 2차 고조파의 수치 모델을 회절과 함께 설정하고 이를 이용해 수신 진폭을 이론적으로 계산한 후. 이를 실험 결과와 비교하여 가장 잘 매칭되는 이론결과를 찾아 입사 2차 고조파를 추정하고, 입사 2차 고조파를 제거하는 방법을 개발하였다. 한편, 본 눈몬에서 개발된 기술들을 반영하여 자동화된 정량 측정 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 진폭 변화, 톤버스트 신호 처리, 초음파 비선형 파라미터의 계산을 모두 자동적으로 수행한다. 본 장비는 측정 날짜 및 시간에 상관없이 높은 반복 재현성을 보여준다. 결론으로, 제안된 비선형 파라미터를 정확하게 측정할 수 있는 응용기술과 정량측정 시스템 개발을 통해 비선형 초음파 기술의 현장 적용에 크게 기여할 것을 기대한다.