Development of Non-contact Lamb Waves Measurement System for Non-destructive Evaluation

Abstract

초음파 기술에 대한 요구는 재료 과학 분야를 포함해서 많은 산업 응용 분야에서 증가하고 있다. 초음파 기술 중 유도파는 가장 널리 사용되는 기법이며 램파는 유도파 중 가장 대표적인 방법의 하나다. 램파는 유도 탄성파로서 결함에 대한 높은 감도 때문에 비파괴 검사, 구조 상태 모니터링, 음향 현미경과 같은 재료 과학의 다양한 분야에 뛰어난 능력과 잠재력을 가지고 있다. 램파는 높은 감쇠 없이 판상 구조물에서 전파되기 때문에 긴 거리 이동에 용이하다. 일반적으로 램파기술은 접촉식 가진기를 통해 수행되지만 접촉식 가진 기술은 매우 높은 공간 분해능을 가지기 어렵고, 케이블 증가와 관련된 복잡성 등 다양한 단점들이 존재한다. 본 연구는 이러한 단점을 보완하기 위해 비접촉식 램파의 생성 및 측정 방식을 제안하고 추가 응용을 구현하였다. 대표적인 비접촉식 램파 생성 및 측정 방식인 모드 변환법과 레이저 초음파 기술에 대한 시스템을 제안하였다. 제안하는 시스템의 목표인 저주파에서의 램파 생성 및 측정에 대한 타당성 테스트가 진행되었다. 모드 변환법을 활용하는 음향 현미경 시스템에 대한 타당성 확인을 위한 세 가지 다른 물질을 사용한 각도에 따른 투과율을 측정하고, 각 물질에 대한 램파의 반사율 함수를 계산하여 비교하였다. 결과는 모드 변환법이 다른 물성치와 감쇠 계수를 가지는 세 가지 재료 모두에 투과율과 램파의 반사율 함수의 연관성을 보여주며 음향 현미경 시스템의 타당성을 보여주었다. 레이저 초음파 시스템의 경우 각도에 영향을 받지 않는 시스템이기 때문에 램파의 분산 곡선을 측정하여 가능성을 검증하였다. 결과는 제안된 레이저 초음파 시스템이 레이저 도플러 진동계를 상용 초음파 마이크로폰으로 대체하여 램파를 측정할 수 있음을 보여주었다. 재료 특성화를 위한 음향 현미경 기술에 모드 변환법을 적용하는 시스템을 구현하였다. 음향 현미경을 위한 한 쌍의 초음파 변환기를 사용하는 방법은 저주파에서 고감쇠 플라스틱의 물성치를 측정하기 위해 제안되었다. 한 쌍의 초음파 변환기 기술은 각 각의 초음파 변환기의 초기 각도를 만들어서, 단일 초음파 변화기가 가지고 있는 부족한 초기 입사 각도를 보완하였다. 반사율 함수는 V(z) 기법을 사용하여 재료 특성을 측정하는 데 사용되었다. 단일 변환기의 반사율 함수 결과는 불충분한 입사각으로 인해 램파에 대한 모드 변환 없이 수직 입사 정보만 보여주었다. 그러나 한 쌍의 초음파 변환기 기술은 고감쇠 플라스틱에 대해 측정한 반사율 함수와 이론 값 사이의 유사성을 보여주었다. 폴리카보네이트와 고밀도 폴리에틸렌의 반사율 함수 중 램파와의 연관성이 높은 크기가 가장 낮은 값의 오차는 각각 5.26%와 6.96%였다. 이러한 결과는 쉽게 구할 수 있는 상용 초음파 변환기를 사용하여 저주파에서 고감쇠 재료의 물성치를 측정할 수 있는 기술을 보여주었다. 레이저 초음파 기술의 경우, 작은 결함을 감지하고 감육 측정을 위한 간편한 램파 기반의 비접촉식 레이저 시스템이 제안되었다. 펄스 레이저로 램파를 생성하고, 진행하는 램파에서 생성되는 누설 램파를 측정하기 위해 일반적인 레이저 초음파 기술에서 사용되는 레이저 도플러 진동계가 아닌 상용 초음파 마이크로폰을 사용하였다. 작은 결함을 가시화하기 위하여 진행하는 램파를 기반으로 한 누적 정상파 에너지법을 사용하였다. 결과는 반 파장 이하의 결함을 감지하여 초음파 마이크 사용의 타당성을 확인하였다. 반사된 램파를 기반으로 하는 국부 파수 추정법은 감육을 측정하기 위해 사용하였다. 일반적인 국부 파수 추정 법에서 사용되는 접촉식 가진기에 비해 부족한 여기 에너지를 보완하기 위해서, 펄스 레이저에서 발생하는 램파의 광대역 특성을 이용한 수정된 알고리즘을 제안하고 구현하였다. 정상 영역과 겸함 부분의 국부 파수 추정 법에 의해 측정된 두께와 실제 두께의 오차는 각각 2.73%와 7.14%였고, 이러한 결과는 제안한 시스템이 작은 결함 및 감육을 간편한 레이저 시스템을 통해 측정할 수 있음을 보여준다. |The demands of many industrial applications for ultrasound technology are increasing especially in nondestructive evaluation (NDE). The guided waves are the most widely used technique and among the guided waves, Lamb waves are one of the most representative methods. Lamb waves have outstanding capabilities and potentials for various applications of material science not only NDE but structural health monitoring (SHM) and acoustic microscopy due to the good sensitivity to detect the defect. Lamb waves are guided elastic waves propagating in a plate-like structure without a high attenuation that have a good sensitivity to detect the defect. These features make the Lamb waves have a significantly great advantage for long-distance traveling. The common Lamb waves techniques are performed by the contact-type actuator. However, the contact-based methods have some drawbacks such as difficulty to obtain a sufficiently high spatial resolution and price and the complexity associated with cable increase, etc. To address the several disadvantages of the contact-based method, the non-contact system for generating and measuring Lamb waves is proposed and implemented. The feasibility tests for the proposed system to generate and measure the Lamb waves based on the non-contact method at a low frequency are conducted by two methods. The transmission efficiency according to angle was measured to validate the feasibility of the acoustic microscope which is performed to acquire the reflectance function. The three different materials were used to calculate the transmission efficiency and compared to the reflectance function of each material. The results indicate that the Lamb wave mode conversion has the availability and feasibility to use the acoustic microscope method to all three materials with different material properties and attenuation coefficients. In addition, the dispersion curves of Lamb waves are measured to validate the feasibility of the laser ultrasonic to generate and measure the Lamb waves. The results demonstrate the proposed laser ultrasonic system is able to generate and measure Lamb waves by replacing LDV with an ultrasound microphone. The application of the method based on Lamb wave mode conversion was implemented to the acoustic microscope technique for material characterization. The pair transducer method for acoustic microscope was proposed to measure the reflectance function of the highly attenuative plastics at a low frequency. The reflectance function was generally used to determine the material properties by using a V(z) technique. The initial angle of the pair transducer method supplemented the insufficient angular range to generate the Lamb waves by mode conversion. The reflectance function results from the single transducer indicate only the normal incidence-related value due to the insufficient incident angle. However, the reflectance function results from the pair transducer method indicate the similarity between the measured reflectance function and theoretical reflectance function for both PC and HDPE. The error of the angle which has the lowest value of the reflectance function value for PC and HDPE is 5.26% and 6.96%, respectively. These results demonstrate the availability of the pair transducer method to measure the material properties of high attenuative material at a low frequency with the commercial transducer easy to get. In the case of laser ultrasonic, the convenient non-contact system was proposed to detect the small defects and measure the wall-thinning defects. The commercial ultrasound microphone was used to measure the leaky Lamb waves generated from the pulsed laser, unlike the conventional method generally used LDV. The cumulative standing-wave energy method based on the traveling Lamb waves was implemented to visualize the small defects. The results verified the feasibility of using an ultrasound microphone by detecting the defect with a less than half wavelength. The local wavenumber estimation method based on the reflected Lamb waves was implemented to the wall-thinning defects. The modified algorithm used the broadband characteristics of Lamb waves generated from the pulsed laser was proposed and implemented to supplement the insufficient excitation compared to the continuous wave contact actuator. The thickness estimation results for the normal area and the defective area had an error of 2.73 and 7.14 % compared to the actual thickness.