KR20070065934A - Phased array ultrasonic flaw length evaluation device and method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 위상배열 초음파 결함길이평가 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 측정대상 재료로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하는 위상배열 초음파 측정부와; 상기 위상배열 초음파 측정부에서 수신된 위상배열 초음파 신호를 전송받아 측정대상 재료 내부의 결함의 길이를 평가하는 위상배열 평가처리부를 포함하여 구성함으로서, 위상배열 초음파의 전자조향 특성을 이용하여 재료내부의 미소한 결함의 길이를 정량적으로 정확하게 평가할 수 있게 되는 것이다.The present invention provides a phased array ultrasonic defect length evaluation apparatus and method thereof, comprising: a phased array ultrasonic measuring unit for transmitting a phased array ultrasonic signal to a material to be measured and receiving the transmitted phased array ultrasonic signal; And a phased array evaluation processor for receiving the phased array ultrasonic signal received by the phased array ultrasonic measurement unit and evaluating the length of defects in the material to be measured, thereby utilizing the electronic steering characteristics of the phased array ultrasonic waves. It is possible to evaluate the length of minute defects quantitatively and accurately.
Description
도 1은 종래 드롭법에 의한 결함길이평가 장치의 블록구성도이다.1 is a block diagram of a defect length evaluation apparatus according to the conventional drop method.
도 2는 도 1의 6 dB 드롭법의 기본원리를 보인 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating the basic principle of the 6 dB drop method of FIG.
도 3은 도 2에 의해 사각탐상을 수행하는 것을 보인 개념도이다.FIG. 3 is a conceptual view illustrating square blind spot detection by FIG. 2.
도 4는 도 2에 의해 작은 결함에 대해 드롭법을 사용한 예를 보인 개념도이다.4 is a conceptual diagram showing an example in which the drop method is used for a small defect in FIG.
도 5는 도 2에 의해 크랙 길이를 측정할 때 잘못된 결과를 보인 개념도이다.5 is a conceptual diagram showing an incorrect result when measuring the crack length by FIG.
도 6은 도 2에 의해 측정시, 결함이 곡면에 따라 임의의 방향으로 높여있는 경우의 측정예를 보인 개념도이다.FIG. 6 is a conceptual diagram showing a measurement example in which the defect is raised in an arbitrary direction along the curved surface when measured by FIG. 2.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 장치의 블록구성도이다.7 is a block diagram of a phased array ultrasonic defect length evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 방법을 보인 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of evaluating a defect length of a phased array ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention.
도 9는 도 7에서 위상배열 초음파 측정부의 설치예를 보인 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating an installation example of a phased array ultrasonic measuring unit in FIG. 7.
도 10은 도 7에서 위상배열 초음파 탐촉자의 설치예를 보인 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating an example of installing a phased array ultrasonic transducer in FIG. 7. FIG.
도 11은 도 7에서 가변각 웨지의 단면도이다.11 is a cross-sectional view of the variable angle wedge in FIG. 7.
도 12는 도 11의 가변각 웨지의 설치예를 보인 사시도이다.12 is a perspective view showing an installation example of the variable angle wedge of FIG.
도 13은 도 7에서 위상배열 평가처리부에서 출력된 화면의 예를 보인 도면이다.FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a screen output from the phased array evaluation processor of FIG. 7.
도 14는 도 7에서 위상배열 초음파 탐촉자의 활성소자의 개수에 따른 빔의 지향특성을 보인 그래프이다.FIG. 14 is a graph illustrating beam directivity according to the number of active elements of the phased array ultrasonic transducer in FIG. 7.
도 15는 도 14에서 활성소자의 개수에 따른 조향각에 의한 메인 로브의 빔 폭 변화를 보인 그래프이다.FIG. 15 is a graph illustrating a beam width change of a main lobe by a steering angle according to the number of active elements in FIG. 14.
도 16은 도 7의 위상배열 초음파 탐촉자의 제원에 의한 일반 강에서의 초음파 빔 지향 특성을 보인 그래프이다.FIG. 16 is a graph illustrating ultrasonic beam directing characteristics of a general steel based on specifications of the phased array ultrasonic transducer of FIG. 7.
도 17은 본 발명에서 사용하는 위상배열의 이해를 위한 삼각형 모식도이다.FIG. 17 is a triangular schematic diagram for understanding a phased array used in the present invention. FIG.
도 18은 본 발명을 실험하기 위한 시험체의 대비시험편의 설계도이다.18 is a design diagram of a contrast specimen of a test specimen for experimenting the present invention.
도 19는 도 18의 대비시험편의 인공결함에 대하여 종파로 길이별 신호를 표시한 도면이다.FIG. 19 is a view showing signals by length of a longitudinal wave for artificial defects of the contrast test piece of FIG. 18.
도 20은 도 18의 대비시험편의 인공결함에 대하여 횡파로 길이별 신호를 표시한 도면이다.FIG. 20 is a view showing signals by length of a transverse wave for artificial defects of the contrast test piece of FIG. 18.
도 21은 도 18의 대비시험편의 인공결함에 대하여 표면파로 길이별 신호를 표시한 도면이다.FIG. 21 is a view showing signals by length of a surface wave with respect to artificial defects of the contrast test piece of FIG.
도 22는 도 7에서 사용하는 대비시험편 중에서 STB A1의 상세 규격을 보인 도면이다.FIG. 22 is a view showing detailed specifications of STB A1 among contrast test pieces used in FIG. 7. FIG.
도 23은 도 7에서 시험체에 대한 위상배열 초음파의 기본적인 주사 모양을 보인 도면이다.FIG. 23 is a diagram illustrating a basic scanning shape of phased array ultrasound waves for a test body in FIG. 7.
도 24는 일반 초음파 탐촉자와 도 7의 위상배열 초음파 탐촉자의 정확한 결함길이평가를 위한 탐촉자 보정의 예를 보인 개념도이다.FIG. 24 is a conceptual diagram illustrating an example of calibration of a probe for accurate defect length evaluation of a general ultrasonic transducer and a phased array ultrasonic transducer of FIG. 7.
도 25는 도 24에서 탐촉자 보정이 끝난 시험장치에 대해 원하는 빔, 집속 깊이, 조향각 등을 소프트웨어적으로 설정하기 위한 입력 데이터의 예를 보인 도면이다.FIG. 25 is a diagram illustrating an example of input data for setting a desired beam, focusing depth, steering angle, and the like with respect to the test apparatus after the transducer calibration in FIG. 24.
도 26은 도 7에 의해 종파, 횡파, 표면파로 결함의 길이를 평가한 예를 보인 도면이다.FIG. 26 is a diagram illustrating an example of evaluating the lengths of defects in vertical, transverse, and surface waves in FIG. 7.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 위상배열 초음파 측정부10: phased array ultrasonic measurement unit
11 : 위상배열 초음파 탐촉자11: phased array ultrasonic transducer
12 : 가변각 웨지12: variable angle wedge
20 : 위상배열 평가처리부20: phased array evaluation processing unit
30 : 시험편(Test specimen)30: Test specimen
본 발명은 비파괴 검사에 있어서 재료내부에 존재하는 결함의 길이를 평가하는 기술에 관한 것으로, 특히 위상배열 초음파의 전자조향 특성을 이용하여 재료내부의 미소한 결함의 길이를 정량적으로 정확하게 평가하기에 적당하도록 한 위상배 열 초음파 결함길이평가 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for evaluating the length of defects present in a material in non-destructive inspection, and is particularly suitable for quantitatively and accurately quantitatively evaluating the length of minute defects in a material by using the electronic steering characteristics of phased array ultrasound. The present invention relates to a phased array ultrasonic defect length evaluation device and a method thereof.
종래의 초음파 결함길이평가에 의한 불연속부의 길이 측정기술에는 크게 나누어 dB 드롭(drop)법과 감도기준법이 있다. 이것의 측정원리는 검출된 불연속의 최대 에코높이를 기준하여 규정된 비율만큼 에코(echo) 높이가 낮아졌을 때까지의 탐촉자 이동거리를 불연속부의 길이로 하는 것이다.Conventional length measurement techniques of discontinuities by ultrasonic defect length evaluation include the dB drop method and the sensitivity reference method. The measuring principle is that the length of the discontinuity of the transducer moving distance until the echo height is lowered by a prescribed ratio based on the maximum echo height of the detected discontinuity.
그리고 dB 드롭법에는 최대 높이법(maximum amplitude), 20 dB 드롭법 또는 6 dB 드롭법 등 여러 가지로 나누어 적용하고 있으나, 6 dB 드롭법이 가장 일반적으로 적용되는 측정기술이다.The dB drop method is divided into various methods such as the maximum amplitude method, the 20 dB drop method, or the 6 dB drop method, but the 6 dB drop method is the most commonly applied measurement technique.
도 1은 종래 드롭법에 의한 결함길이평가 장치의 블록구성도이다.1 is a block diagram of a defect length evaluation apparatus according to the conventional drop method.
이에 도시된 바와 같이, 시험체(Test specimen)(3)에 대해 좌우로 이동하면서 초음파를 상기 시험체(3)로 송신하고, 송신한 초음파를 수신하는 탐촉자(1)와; 상기 탐촉자(1)의 수신 결과를 출력하는 CRT(Cathode Ray Tube, 음극선관) 화면(2)으로 구성된다.As shown therein, a
도 2는 도 1의 6 dB 드롭법의 기본원리를 보인 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating the basic principle of the 6 dB drop method of FIG.
그래서 6 dB 드롭법의 측정원리는 도 2에 도시한 바와 같이, 초음파가 불연속으로부터 최대로 반사할 수 있는 위치(도 2의 B 지점 : 이 때 얻어지는 반사파의 크기가 최대가 됨)에서 탐촉자(1)를 좌우로 이동시키면 초음파 빔폭의 1/2 정도만 불연속부에 입사 및 반사하는 위치(도 2의 A 및 C 지점 : 이 때 얻어지는 반사파의 높이는 B 지점에서 얻어진 반사파 높이의 1/2 이 됨)가 나타나게 되므로, 이를 시험체(3)상에 표시한다.Thus, as shown in FIG. 2, the principle of measurement of the 6 dB drop method is that the transducer (1 at the point B of FIG. ) To the left and right, the position where only about 1/2 of the ultrasonic beam width is incident and reflected on the discontinuous portion (A and C points in FIG. 2: the height of the reflected wave obtained at this time is 1/2 of the height of the reflected wave obtained at the B point). As it appears, it is indicated on the test specimen (3).
이 때 A와 C 사이의 길이를 측정하면 불연속의 길이가 된다. 즉, 초음파 탐상시 시험체(3)에서 불연속부가 검출되었을 때, 탐촉자(1)를 좌우로 이동시켜 결함반사파의 높이가 도 2 에서와 같이 최대로 되었을 때(이때 탐촉자는 도 2의 B에 위치함), 이 때의 펄스 높이를 CRT 화면(2)상에 표시하고 탐촉자(1)를 좌우로 이동시키면 반사파의 에코높이가 변하게 된다.In this case, measuring the length between A and C results in a discontinuous length. That is, when the discontinuity is detected in the test body 3 during the ultrasonic flaw detection, when the
탐촉자(1)를 계속 이동시키면, 도 2와 같이 최대 에코높이의 50 %로 낮아질 때(이 때 탐촉자는 도 2의 A 또는 C에 위치함) 탐촉자(1)의 위치를 시험체(3)에 표시하고, 다시 반대 방향으로 탐촉자(1)를 이동시켜 동일한 방법으로 시험체 위에 탐촉자의 위치를 표시한다. 즉, 검출된 결함반사파 최대 높이의 50 %(6 dB)로 떨어질 때의 탐촉자 이동거리를 불연속부의 길이로 하기 때문에 6 dB 드롭법이라고 하며, 탐상자의 인적인 요소에 매우 깊이 좌우된다.If the
그리고 불연속부의 위치 측정을 할 때 판재를 수직 탐상하는 경우에는 저면 에코가 CRT 화면(3) 상에 나타나기 때문에, 불연속부의 위치를 CRT 화면(3) 상에서 직접적으로 알 수 있다. 그러나 사각탐상의 경우에는 저면 에코가 나타나지 않기 때문에, 스크린 상에서 불연속부의 반사파가 나타났을 때, 그 에코의 발생위치를 직감적으로 알기가 매우 어렵다. 사각탐상에서 스크린 상에 나타나는 반사파의 시간축은 초음파가 진행한 빔 진행거리를 나타내므로 이미 측정된 입사점 및 굴절각으로부터 삼각함수의 관계식을 이용하여 불연속의 위치를 계산하게 된다.In the case of vertical flaw detection of the plate during the position measurement of the discontinuous portion, the bottom echo appears on the CRT screen 3, so that the position of the discontinuous portion can be directly known on the CRT screen 3. However, in the case of square flaw detection, since the bottom echo does not appear, when the reflected wave of the discontinuous portion appears on the screen, it is very difficult to intuitively know the location of the echo. Since the time axis of the reflected wave appearing on the screen in the square scan shows the beam propagation distance traveled by the ultrasonic wave, the position of the discontinuity is calculated by using the trigonometric relational expression from the measured incident point and refraction angle.
도 3은 도 2에 의해 사각탐상을 수행하는 것을 보인 개념도이다.FIG. 3 is a conceptual view illustrating square blind spot detection by FIG. 2.
그래서 사각탐상시에는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 탐촉자(1)에서 결함 까지의 거리 및 시험체의 두께를 알 수 있으면 결함의 위치가 정확하게 측정될 수 있다.Thus, as can be seen in FIG. 3 during the rectangular flaw detection, the location of the defect can be accurately measured if the distance from the
그래서 도 3에서 다음과 같은 수학식 1 내지 수학식 3을 알아낼 수 있다.Thus, the following
여기서, W 는 빔 행정거리, d 는 CRT 화면(3)상에 나타난 시간축의 값이며, θ 는 굴절각, t 는 시험체의 두께이다.Where W is the beam stroke distance, d is the value of the time axis shown on the CRT screen 3, θ is the refraction angle, and t is the thickness of the test body.
또한 각각의 거리는 다음의 수학식 4 내지 수학식 7로 표현할 수 있다.In addition, each distance may be expressed by the following
여기서 W0.5S 는 0.5 스킵(skip) 빔 행정거리이고, W1S 는 1 스킵 빔 진행거리이며, y0.5S 는 0.5 스킵 거리이고, y1S 는 1 스킵 거리이다.Where W 0.5S is 0.5 skip beam stroke distance, W 1S is 1 skip beam travel distance, y 0.5S is 0.5 skip distance, and y 1S is 1 skip distance.
불연속의 크기가 초음파 빔 폭에 비해 충분히 작은 경우에는 6 dB 드롭법을 사용할 수 없으므로 앞서 설명한 방법을 적용해야 보다 정확한 탐상을 수행할 수 있다.If the size of the discontinuity is small enough for the ultrasonic beam width, the 6 dB drop method cannot be used, so the more accurate flaw detection can be performed by applying the method described above.
도 4는 도 2에 의해 작은 결함에 대해 드롭법을 사용한 예를 보인 개념도이다.4 is a conceptual diagram showing an example in which the drop method is used for a small defect in FIG.
도 5는 도 2에 의해 크랙 길이를 측정할 때 잘못된 결과를 보인 개념도이다.5 is a conceptual diagram showing an incorrect result when measuring the crack length by FIG.
그래서 dB 드롭법으로 결함의 길이를 측정할 때에는 주사방법이 큰 영향을 미치게 된다. 즉 결함의 길이를 측정할 때에는 기본주사 방법 중 전후주사 또는 좌우 주사를 하여야 하며 목 돌림 주사 또는 진자 주사를 사용해서는 안 된다. 즉, 도 5와 같이 목 돌림 진자주사로 불연속을 측정하는 경우 실제 불연속의 길이와 탐촉자의 이동거리는 매우 다르게 된다. 이와 같은 상황은 실제 탐상시 시험체(3)의 두께가 두꺼운 경우 빔의 진행거리가 길어지기 때문에 탐촉자를 조금만 목 돌림 하 여도 탐촉자(1)의 이동거리는 매우 길어지기 때문에 부정확한 결함길이평가를 하게 된다.Therefore, the scanning method has a big influence when measuring the length of a defect by the dB drop method. In other words, when measuring the length of defects, one of the basic scanning methods should be performed before and after scanning or right and left scanning, and neck rotation or pendulum scanning should not be used. In other words, when measuring the discontinuity by turning the pendulum pendulum as shown in Fig. 5, the actual discontinuity and the moving distance of the transducer are very different. In such a situation, when the thickness of the test body 3 is thick during the actual test, the travel distance of the beam becomes long, so that even if the transducer is slightly rotated, the movement distance of the
도 6은 도 2에 의해 측정시, 결함이 곡면에 따라 임의의 방향으로 높여있는 경우의 측정예를 보인 개념도이다.FIG. 6 is a conceptual diagram showing a measurement example in which the defect is raised in an arbitrary direction along the curved surface when measured by FIG. 2.
그래서 dB 드롭법으로 불연속부 길이를 측정하는 경우 주의해야 할 또 다른 상황은 도 6에서와 같이 곡률을 갖는 시험체의 경우, 탐촉자(1)의 이동거리와 결함의 크기와는 상당한 차이가 있다. 실제 이와 같은 상황이 많이 발생되는데, 도 6에서 처럼 결함이 곡면에 따라 균일하게 결함이 존재하는 경우에는 비교적 간단한 비례식으로 결함길이를 측정할 수 있다.Therefore, another situation to be aware of when measuring the discontinuity length by the dB drop method is a significant difference between the moving distance of the
그러나 결함의 존재방향이 임의의 방향으로 놓여 있다면 정확한 결함길이를 측정한다는 것이 간단하지 않다.However, measuring the exact length of a defect is not simple if the direction of the defect lies in an arbitrary direction.
따라서 이와 같은 경우에는 실제도면을 이용하여 초음파 탐상결과 나타나는 결함의 위치를 정확하게 작도하여 측정해야 하는 등의 단점이 있다.Therefore, in such a case, there are disadvantages such as the accurate drawing of the position of the defect resulting from the ultrasonic flaw detection using the actual drawing.
이와 같이 탐촉자에 발생된 초음파 빔 전체가 결함에 도달하면 초음파의 전량이 반사에 관계하게 되어 반사파의 진폭만으로 평가하는 것은 적절하지 않을 수 있다. 또한 불연속부의 길이 측정은 위치측정과 더불어 이루어지게 되고 이는 탐촉자의 주사방법에 따라 영향을 받는 단점이 있다.As such, when the entire ultrasonic beam generated by the transducer reaches a defect, the entire amount of ultrasonic waves is related to reflection, and it may not be appropriate to evaluate only the amplitude of the reflected wave. In addition, the measurement of the length of the discontinuous portion is made along with the position measurement, which is affected by the scanning method of the transducer.
이상과 같은 초음파를 이용한 비파괴 결함 평가방법에서 재료내부에 존재하는 결함을 검출하기 위해 종래기술에서 일반적으로 사용되는 펄스-에코(pulse-echo)법은 한 점에서 재료 내부로 초음파를 입사시킨 후 재료 내부의 결함 및 음향 경계면으로부터 반사되어오는 초음파를 수신한 파형을 관측하여 평가하는 것이다. 그러나 이러한 펄스-에코법은 한 점에서의 초음파 파형(A-Scan)을 이용한 국부적인 영역만을 평가하게 되므로, 넓은 영역을 평가하기 위해서는 탐촉자를 한 점, 한 점 이동시키면서 전체영역에 대해 시간 축에서의 초음파 신호(A-Scan)를 검출해야만 하는 단점이 있다.In the non-destructive defect evaluation method using ultrasonic waves as described above, the pulse-echo method generally used in the prior art to detect defects present in a material is performed by injecting ultrasonic waves into the material at one point. Observing and evaluating the waveform received ultrasonic waves reflected from the internal defects and acoustic boundaries. However, the pulse-echo method evaluates only the local area using the ultrasonic wave wave (A-Scan) at one point. Therefore, in order to evaluate a wide area, the transducer is moved on one point, one point, and moved along the time axis. There is a disadvantage in that the ultrasonic signal A-Scan must be detected.
이러한 방식의 검사 및 결함평가는 검사대상체의 복잡한 형상에서 반사되는 결함신호와 형상신호를 분별하는 것이 용이하지 않기 때문에 평가결과의 신뢰성이 떨어지고 있는 실정이다.In this type of inspection and defect evaluation, the reliability of the evaluation result is deteriorated because it is not easy to distinguish the defect signal and the shape signal reflected from the complex shape of the inspection object.
또한 종래의 초음파 결함평가는 평가자의 지식과 경험에 의존되어 검사자에 따라 평가결과가 다르게 나타난다.In addition, the conventional ultrasound defect evaluation depends on the knowledge and experience of the evaluator, the evaluation result is different according to the inspector.
따라서 결함 발생 가능성이 높고, 기존의 방법으로는 결함판별이 어려운 복잡한 형상에 대한 초음파 검사 및 결함평가 방법 및 인적인 요소에 좌우되지 않는 결함평가 기술을 발명하는 것이 불가결하게 대두되고 있다.Therefore, it is indispensable to develop an ultrasonic inspection and defect evaluation method for a complicated shape having a high possibility of defect occurrence and difficult to determine by a conventional method, and a defect evaluation technique that does not depend on human factors.
이러한 문제점의 해결방법으로서, 초음파 검사 결과의 영상화를 들 수 있으며, 실시간 초음파 영상을 나타내는 방법으로는 위상배열 초음파에 의한 방법이 주목받고 있다. 위상배열 탐촉자 전면에서 출발한 전자 조향각을 가진 초음파 빔이 재료내부에서 결함에 의해 반사되어 되돌아오는 빔의 경로는 삼각형의 형태로 도식화할 수 있으며, 삼각형의 각도는 결함으로부터 되돌아오는 반사파 영역의 크기이다. 즉, 결함의 크기와 밀접한 관련이 있으므로 위상배열 초음파의 전자적 조향각 빔 주사특성을 이용하여 결함의 정량적 평가를 위한 측정 방법으로서 사용하고자 한다.As a method for solving such a problem, imaging of an ultrasound test result may be cited. As a method of displaying a real-time ultrasound image, a method using phased array ultrasound has attracted attention. The path of the beam from which the ultrasonic beam with electron steering angle originating from the front of the phased array transducer is reflected by the defect within the material can be plotted in the form of a triangle, the angle of which is the size of the reflected wave region from the defect. . That is, since it is closely related to the size of the defect, it is intended to be used as a measuring method for quantitative evaluation of the defect by using the electronic steering angle beam scanning characteristics of the phased array ultrasound.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 위상배열 초음파의 전자조향 특성을 이용하여 재료내부의 미소한 결함의 길이를 정량적으로 정확하게 평가할 수 있는 위상배열 초음파 결함길이평가 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.Therefore, the present invention has been proposed to solve the above conventional problems, and an object of the present invention is to provide a phase that can quantitatively accurately evaluate the length of minute defects in a material by using the electronic steering characteristics of phased array ultrasonic waves. An array ultrasonic flaw length evaluation apparatus and method are provided.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 장치는,In order to achieve the above object, the phased array ultrasonic defect length evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention,
측정대상 재료로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하는 위상배열 초음파 측정부와; 상기 위상배열 초음파 측정부에서 수신된 위상배열 초음파 신호를 전송받아 측정대상 재료 내부의 결함의 길이를 평가하는 위상배열 평가처리부를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.A phased array ultrasonic measuring unit configured to transmit a phased array ultrasonic signal to a material to be measured and to receive the transmitted phased array ultrasonic signal; Technical features of the present invention include a phased array evaluation processor configured to receive a phased array ultrasonic signal received by the phased array ultrasonic measurement unit and evaluate a length of a defect in a material to be measured.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 방법은,Phase array ultrasonic defect length evaluation method according to an embodiment of the present invention to achieve the above object,
위상배열 초음파 탐촉자를 이용하여 측정대상 재료로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 수신한 위상배열 초음파 신호를 이용하여 측정대상 재료 내부의 결함의 길이를 평가하는 제 2 단계를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.A first step of transmitting a phased array ultrasonic signal to a material to be measured using a phased array ultrasonic transducer and receiving the transmitted phased array ultrasonic signal; And a second step of evaluating the length of a defect in the material to be measured using the phased array ultrasonic signal received in the first step.
이하, 상기와 같은 본 발명, 위상배열 초음파 결함길이평가 장치 및 그 방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention, the phased array ultrasonic defect length evaluation apparatus and the technical idea of the method will be described with reference to the accompanying drawings.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 장치의 블록구성도이고, 도 11은 도 7에서 가변각 웨지의 단면도이다.7 is a block diagram of a phased array ultrasonic defect length evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 11 is a cross-sectional view of the variable angle wedge in FIG.
이에 도시된 바와 같이, 측정대상 재료로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하는 위상배열 초음파 측정부(10)와; 상기 위상배열 초음파 측정부(10)에서 수신된 위상배열 초음파 신호를 전송받아 측정대상 재료 내부의 결함의 길이를 평가하는 위상배열 평가처리부(20)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.As shown therein, a phased array
상기 위상배열 평가처리부(20)는, 상기 위상배열 초음파 측정부(10)에서 수신한 위상배열 초음파의 전자적 조향각 빔 주사특성을 이용하여 측정대상 재료 내부의 결함의 정량적 평가를 수행하는 것을 특징으로 한다.The phased
상기 위상배열 평가처리부(20)는, 상기 위상배열 초음파 측정부(10)를 이용하여 결함의 크기를 평가할 때,When the phased
결함의 크기 = 결함까지의 빔 진행거리 x tan(결함각)Size of defect = beam travel to defect x tan (defect angle)
을 계산하여 결함의 크기를 구하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by calculating the size of the defect by calculating the.
상기 위상배열 초음파 측정부(10)는, 위상배열 초음파 신호를 송신하고 수신하는 위상배열 초음파 탐촉자(11)와; 상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)를 측정대상 재료로 주사할 때 입사각 조정을 수행할 수 있도록 하는 가변각 웨지(Wedge)(12)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.The phased array
상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)는, 5 ~ 20MHz 주파수의 탐촉자를 사용하는 것을 특징으로 한다.The phased array
상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)는, 상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 설계조건에 주파수, 압전소자의 수, 압전소자 사이의 간격, 압전소자의 크기 중에서 하나 이상을 포함하여 설계하는 것을 특징으로 한다.The phased array
상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)는, 상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 압전소자의 간격은 지향성이 좋고 사이드 로브의 영향이 적은 값으로 미리 설정하는 것을 특징으로 한다.The phased array
상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)는, 빔 지향특성(beam directivity) H(θ)를 다음의 수학식으로 구하여 설정하고,The phased array
여기서
상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)는, 전자조향각(steering angle) 및 활성소자의 개수에 따른 메인로브(main lobe)의 빔 샤프니스(sharpness, q)를 다음의 수 학식으로 구하여 설정하고,The phased array
여기서 q 는 빔의 샤프니스 인 것을 특징으로 한다.Where q is the sharpness of the beam.
상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)는, 시험편(30)으로 STB A1 을 사용하여 결함길이 평가에 필요한 설정값을 구하는 것을 특징으로 한다.The phased array
상기 가변각 웨지(12)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 가변각 웨지(12)가 측정대상 재료에 고정되도록 하고, 상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)가 맞물리도록 홈이 형성된 쐐기와; 상기 위상배열 초음파 탐촉자(11)가 상기 쐐기에 형성된 홈에 밀착되도록 지지해주는 진동자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.The
여기서 미설명부호 30은 측정대상 재료인 시험편이다.Here,
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 방법을 보인 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of evaluating a defect length of a phased array ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention.
이에 도시된 바와 같이, 위상배열 초음파 탐촉자(11)를 이용하여 측정대상 재료로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하는 제 1 단계(ST1)(ST2)와; 상기 제 1 단계에서 수신한 위상배열 초음파 신호를 이용하여 측정대상 재료 내부의 결함의 길이를 평가하는 제 2 단계(ST3)를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.As shown therein, a first step (ST1) (ST2) of transmitting a phased array ultrasonic signal to the material to be measured using the phased array
상기 제 2 단계는, 상기 제 1 단계에서 수신한 위상배열 초음파의 전자적 조향각 빔 주사특성을 이용하여 측정대상 재료 내부의 결함의 정량적 평가를 수행하 는 것을 특징으로 한다.In the second step, quantitative evaluation of defects in the material to be measured may be performed using the electronic steering angle beam scanning characteristics of the phased array ultrasonic wave received in the first step.
상기 제 2 단계는, 상기 위상배열 초음파 탐촉자(10)를 이용하여 결함의 크기를 평가할 때,The second step, when evaluating the size of the defect using the phased array
결함의 크기 = 결함까지의 빔 진행거리 x tan(결함각)Size of defect = beam travel to defect x tan (defect angle)
을 계산하여 결함의 크기를 구하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by calculating the size of the defect by calculating the.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 장치 및 그 방법의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, the operation of the phased array ultrasonic defect length evaluation apparatus and the method according to the present invention configured as described above will be described in detail as follows.
먼저 본 발명은 위상배열 초음파의 전자조향 특성을 이용하여 재료내부의 미소한 결함의 길이를 정량적으로 정확하게 평가하고자 한 것이다.First, the present invention is to quantitatively evaluate the length of minute defects in a material by using the electronic steering characteristics of phased array ultrasonic waves.
이때 종래기술에 의한 초음파 결함평가는 검사대상체의 복잡한 형상에서 반사되는 결함신호와 형상신호를 분별하는 것이 용이하지 않기 때문에 평가결과의 신뢰성이 떨어지고, 평가자의 지식과 경험에 의존되어 검사자에 따라 평가결과가 다르게 나타난다. 이러한 문제점의 해결방법으로서, 본 발명에서는 위상배열 초음파를 이용하고자 한 것이다.In this case, the ultrasonic defect evaluation according to the prior art is not easy to distinguish the defect signal and the shape signal reflected from the complex shape of the inspection object, so the reliability of the evaluation result is low, and the evaluation result depends on the examiner's knowledge and experience. Appears differently. As a solution to this problem, the present invention intends to use phased array ultrasound.
그래서 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 전면에서 출발한 전자 조향각을 가진 초음파 빔이 재료내부에서 결함에 의해 반사되어 되돌아오는 빔의 경로는 삼각형의 형태로 도식화할 수 있으며, 삼각형의 각도는 결함으로부터 되돌아오는 반사파 영역의 크기이다. 즉, 결함의 크기와 밀접한 관련이 있으므로 위상배열 초음파의 전자적 조향각 빔 주사특성을 이용하여 결함의 정량적 평가를 위한 측정 방법으로서 사용하고자 한다.Thus, the path of the beam in which the ultrasonic beam with the electron steering angle starting from the front of the phased array
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 장치의 블록구성도이다.7 is a block diagram of a phased array ultrasonic defect length evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
그래서 위상배열 초음파 측정부(10)에서는 측정대상 재료인 시험편(test specimen)(30)으로 위상배열 초음파 신호를 송신하고, 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하게 된다.Therefore, the phased array
또한 위상배열 평가처리부(20)는 위상배열 초음파 측정부(10)에서 수신된 위상배열 초음파 신호를 전송받아 측정대상 재료 내부의 결함의 길이를 평가하게 된다.In addition, the phased
또한 위상배열 초음파 측정부(10) 내에는 초음파를 발생시키는 송신부(pulser)와 발생된 초음파를 수신하는 수신부가 포함되어 있다. 그리고 위상배열 평가처리부(20)는 수신부에서 수신된 초음파 신호를 A/D(Analog to digital) 변환하여 나타내어주는 모니터가 포함되어 있다.In addition, the phased array
또한 위상배열 초음파 측정부(10)는 위상배열 초음파 탐촉자(11)와 가변각 웨지(12) 등을 사용하여 표준 시험편(30)으로 각도 및 빔 진행거리를 보정하고, 각각의 결함평가 방법에 따라 재료내부의 결함길이를 평가하게 된다.In addition, the phased array
그래서 본 발명은 종래의 초음파 탐상기와는 달리, 다중의 위상배열 초음파 탐촉자(11)를 제어하고 빔의 조정을 담당하는 전자적인 제어장치가 송신부/수신부와 함께 구성되어 있으며, 수집한 신호를 처리하여 화상으로 보여주는 신호처리기능이 위상배열 평가처리부(20)에 소프트웨어적으로 구현되어 있다. 그리고 탐상기 기능을 수행하는 위상배열 평가처리부(20)와 각 위상배열 초음파 탐촉자(11)를 표준시험편을 이용하여 가변각 웨지(12)의 각도 및 빔 진행거리를 보정한다.Therefore, in the present invention, unlike the conventional ultrasonic flaw detector, an electronic controller for controlling the multiple phased array
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 방법을 보인 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of evaluating a defect length of a phased array ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention.
그래서 제 1 단계에서는 측정대상 재료로 위상배열 초음파 신호를 송신한다(ST1). 그리고 송신한 위상배열 초음파 신호를 수신하게 된다(ST2).In the first step, the phased array ultrasonic signal is transmitted to the material to be measured (ST1). Then, the transmitted phased array ultrasonic signal is received (ST2).
그런 다음 제 2 단계에서는 수신한 위상배열 초음파 신호를 이용하여 측정대상 재료 내부의 결함의 길이를 평가하게 된다(ST3).Then, in the second step, the length of the defect in the material to be measured is evaluated using the received phased array ultrasonic signal (ST3).
이를 위해 제 2 단계는 제 1 단계에서 수신한 위상배열 초음파의 전자적 조향각 빔 주사특성을 이용하여 측정대상 재료 내부의 결함의 정량적 평가를 수행하게 된다.To this end, the second step is to perform a quantitative evaluation of defects in the material to be measured using the electronic steering angle beam scanning characteristics of the phased array ultrasonic wave received in the first step.
도 9는 도 7에서 위상배열 초음파 측정부의 설치예를 보인 도면으로서, 본 발명에서 사용하는 위상배열 초음파 측정부(10) 및 위상배열 평가처리부(20)의 구성 중 대표적인 모양을 나타낸 것이다.FIG. 9 is a view showing an example of the arrangement of the phased array ultrasonic measuring unit in FIG. 7, and shows representative shapes of the configuration of the phased array
도 10은 도 7에서 위상배열 초음파 탐촉자의 설치예를 보인 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating an example of installing a phased array ultrasonic transducer in FIG. 7. FIG.
그래서 본 발명에서 사용한 위상배열 초음파 탐촉자(Phased array UT probe)(11)는 선형(linear) 형태로서, 압전소자(element)의 수는 32개이며, 주요 사양은 다음의 표 1에 나타내었다.Therefore, the phased
도 11은 도 7에서 가변각 웨지의 단면도로서, 위상배열 초음파를 가변각으로 금속재료 내에 보내기 위한 특수 웨지의 기본 개념을 보인 것이다.FIG. 11 is a cross-sectional view of the variable angle wedge in FIG. 7 showing the basic concept of a special wedge for sending phased array ultrasonic waves into the metal material at variable angles.
또한 도 12는 도 11의 가변각 웨지의 설치예를 보인 사시도이다.12 is a perspective view showing an installation example of the variable angle wedge of FIG.
그래서 종래의 결함평가 방법은 결함의 평가를 위해 초음파 검사는 한 개의 결함에 대해서도 7개 이상의 초음파 탐촉자를 필요로 하며, 사람의 손으로 직접 검사하다보니 접근지역이 제한된 검사부위에서는 작업의 안정성 및 검사결과의 신뢰성이 크게 떨어지게 된다. 특히, 종래의 결함평가 방법은 숙련된 검사자라 하더라도 많은 노동력과 시간이 소요되고 있어 새로운 결함평가 기법의 필요성이 강력히 대두되고 있다.Therefore, the conventional defect evaluation method requires more than 7 ultrasonic transducers for a single defect to evaluate the defects, and since it is directly inspected by a human hand, the stability and inspection of the work are limited in the inspection area with limited access area. The reliability of the results is greatly reduced. In particular, the conventional defect evaluation method requires a lot of labor and time even for experienced inspectors, and the necessity of a new defect evaluation method is emerging.
도 13은 도 7에서 위상배열 평가처리부에서 출력된 화면의 예를 보인 도면이다.FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a screen output from the phased array evaluation processor of FIG. 7.
여기서 L 은 결함(Crack)의 길이이고, θ 는 결함이 차지하는 빔의 각도이며, S 는 결함까지의 초음파 빔의 진행거리이고, Triangle method 는 삼각법을 의미한다.Where L is the length of the crack, θ is the angle of the beam occupied by the defect, S is the travel distance of the ultrasonic beam to the defect, and the Triangle method means triangulation.
그리고 위상배열 초음파 측정부(10)는 한 위상배열 초음파 탐촉자(11)에 다중의 소자를 구성하여 위상배열 초음파 탐촉자(11)를 움직이지 않고 원하는 각도와 깊이에 초음파 빔의 초점을 생성시킬 수 있다. 이러한 특징을 이용한 위상배열 초음파는 결함의 평가결과를 2, 3차원적으로 표시할 수 있고, 이에 따른 결함의 존재여부 및 결함의 크기평가 등을 할 수 있다. 즉, 위상배열 초음파는 미리 정해 놓은 위상편차를 전기적으로 조정하고, 각각의 위상배열 초음파 탐촉자(11)가 시간 지연을 두고 펄스를 발생하도록 할 수 있는 것이다.In addition, the phased array
또한 위상배열 초음파 측정부(10)는 전자적 주사에 의해 초음파 빔을 보내는 방향과 형태를 조절할 수 있는 특성이 있다. 이러한 특성에 의해 전자적 조향각을 가진 초음파 빔은 재료내부로 진행할 때 특정 영역의 각도를 가지게 된다. 초음파 빔은 재료내부에서 결함을 만날 때까지는 정상적으로 진행하다가 결함을 만나게 되면 음향 임피던스의 차이로 결함을 만난 대부분의 초음파는 위상배열 초음파 탐촉자(11)로 되돌아오게 된다. 위상배열 초음파 빔은 결함을 향해 진행할 때 일정한 영역의 조향각을 가지고 진행하기 때문에 결함을 만나게 되면 특정 조향각 내의 초음파 빔이 위상배열 초음파 탐촉자(11)로 되돌아오게 된다. 이때 결함의 크기에 따라 되돌아오는 빔도 일정영역의 각도를 가지고 오게 되고, 이 각도를 측정하면 간단한 삼각법의 원리에 의하여 결함의 크기를 정확하게 평가할 수 있게 된다.In addition, the phased array
위상배열 초음파 탐촉자(11)의 전면에서 출발한 전자 조향각을 가진 초음파 빔이 시험편(30)의 재료 내부에서 결함에 의해 반사되어 되돌아오는 빔의 경로는 삼각형의 형태로 도식화할 수 있으며, 삼각형의 각도는 결함으로부터 되돌아오는 반사파 영역의 크기이다. 즉, 이 각도와 빔의 진행 거리는 결함의 길이와 밀접한 관련이 있으므로 위상배열 초음파의 전자적 조향각 빔 주사특성을 이용하여 결함의 정량적 평가를 위한 측정 방법으로서 사용가능하게 된다.The path of the beam in which the ultrasonic beam having the electron steering angle starting from the front of the phased array
이러한 위상배열 초음파 빔 진행상의 특징을 이용한 삼각법을 결함평가에 적용하기 위해서는, 먼저 지향특성이 우수한 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 설계가 중요하며, 본 발명에서는 가급적 높은 주파수인 10 MHz의 탐촉자를 사용함으로서 지향특성을 좋게 하고, 빔의 샤프니스(sharpness)를 높였다. 또한, 형상이 복잡한 재료에 적용하기 위해 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 소자의 수 및 폭, 주사각도, 소자간의 간격 등을 고려하여 선정하였다. 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 설계조건은 주파수, 압전소자의 수, 압전소자 사이의 간격, 압전소자의 크기 등이다. 각 압전소자의 간격은 넓을수록 빔의 지향성은 향상되지만 메인 로브(main lobe) 주위의 사이드 로브(side lobe) 영향이 강하게 나타나 정확한 탐상이 어려워지므로 이 간격들은 지향성이 좋고 사이드 로브의 영향이 적은 적당한 값으로 설정하였다.In order to apply the triangulation method using the characteristics of the phased array ultrasonic beam propagation to defect evaluation, first, it is important to design the phased array
또한 삼각법은 정량적 결함평가를 위해 빔의 조향각 진행과 결함의 크기에 따라 결함으로부터 되돌아오는 조향 반사각의 각도를 측정하여 결함의 평가에 이용하는 것이다. 따라서 삼각법에 의한 결함평가 방법의 타당성의 검증을 위해서 결함 평가시 사용하는 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 빔 지향특성을 규명하였다. 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 빔 지향특성(beam directivity) H(θ) 는 다음의 수학식 8로 나타낼 수 있다.In addition, the triangulation method is used to evaluate the defect by measuring the angle of the steering reflection angle returned from the defect according to the steering angle progression of the beam and the size of the defect for quantitative defect evaluation. Therefore, the beam directing characteristics of the phased array
여기서
도 14는 도 7에서 위상배열 초음파 탐촉자의 활성소자의 개수(N)에 따른 빔의 지향특성을 보인 그래프로서, N이 증가할수록 빔의 지향특성이 향상됨을 알 수 있다.FIG. 14 is a graph showing beam directivity according to the number N of active elements of the phased array ultrasonic transducer in FIG. 7, and it can be seen that beam directivity improves as N increases.
위상배열 초음파의 전자조향각(steering angle) 및 활성소자의 개수에 따른 메인로브(main lobe)의 빔 sharpness(q)는 다음의 수학식 9와 같이 나타내어진다.The beam sharpness q of the main lobe according to the steering angle of the phased array ultrasonic wave and the number of active elements is expressed by Equation 9 below.
도 15는 도 14에서 활성소자의 개수에 따른 조향각에 의한 메인 로브의 빔 폭 변화를 보인 그래프이다.FIG. 15 is a graph illustrating a beam width change of a main lobe by a steering angle according to the number of active elements in FIG. 14.
그래서 조향각이 증가함에 따라 초음파 빔의 지향특성이 감소됨으로 삼각법을 통한 결함 평가의 오차가 증가함을 예측할 수 있다. 즉, 위상배열 초음파 탐촉 자 설계시 제작 가능한 높은 주파수, 다수의 활성소자를 선택함으로서 초음파 빔의 지향 특성을 향상시킬 수 있다.Therefore, as the steering angle increases, it is possible to predict that the error of defect evaluation through trigonometry increases due to the decrease in the directivity of the ultrasonic beam. That is, by selecting a high frequency, a large number of active elements that can be manufactured when designing a phased array ultrasonic transducer, it is possible to improve the directivity of the ultrasonic beam.
이렇게 설계, 제작된 위상배열 초음파 탐촉자(11)는 작은 조향각을 사용할 경우 결함을 정확히 평가할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 공칭 주파수 10 MHz, 소자 간 간격 0.3 mm, 활성소자 개수 32인 위상배열 초음파 탐촉자(11)를 사용하여 삼각법에 적용하였다.The designed and manufactured phased array
도 16은 도 7의 위상배열 초음파 탐촉자의 제원에 의한 일반 강(Steel)에서의 초음파 빔 지향 특성을 보인 그래프이다.FIG. 16 is a graph illustrating ultrasonic beam directing characteristics in general steel due to specifications of the phased array ultrasonic transducer of FIG. 7.
그래서 컴퓨터 시뮬레이션에 결과에 의하여 위상배열 초음파 탐촉자(11)의 빔 지향특성은 삼각법에 의해 결함을 평가하는 비교적 작은 각도 내에서는 만족할 만한 결과를 얻을 것으로 예측되었다.Therefore, the results of computer simulations predicted that the beam directing characteristics of the phased array
삼각법은 직각삼각형의 한 예각에 의해 정해진 변 길이의 비, 이른바 삼각비의 정의를 일반각에 확장한 것으로서, 직각삼각형에서 변의 비에 따라 각도가 결정되는 삼각비를 이용하여 몇 개의 각에 대한 삼각비의 값은 계산할 수 있다.Trigonometry extends the definition of the ratio of the length of a side determined by one acute angle of a right triangle, the so-called triangular ratio, to a general angle. Can be calculated.
도 17은 본 발명에서 사용하는 위상배열의 이해를 위한 삼각형 모식도이다. 그러한 도 17은 위상배열 초음파에 의해 조향각을 가진 빔이 결함에 의해 되돌아올 때의 빔 진행과 반사의 모습을 삼각형으로 모사한 것이다.FIG. 17 is a triangular schematic diagram for understanding a phased array used in the present invention. FIG. 17 is a triangular simulation of beam propagation and reflection when a beam having a steering angle is returned by a defect by phased array ultrasound.
그래서 도 17의 삼각형 모식도에서 위상배열 초음파 빔이 재료 내를 진행할 때 결함에 의해 되돌아오는 초음파 반사파의 영역에서 초기의 빔 진행거리를 직각 삼각형의 밑변으로 가정하면, 위상배열 초음파 빔이 결함으로부터 되돌아오는 신호 가 차지하는 각도를 직각삼각형의 한 꼭지각으로 생각할 수 있다.Thus, in the triangular schematic diagram of FIG. 17, assuming that the initial beam traveling distance is the base of the right triangle in the region of the ultrasonic reflection wave returned by the defect as the phased array ultrasonic beam proceeds through the material, the phased array ultrasonic beam returns from the defect. The angle occupied by the signal can be thought of as a vertex of a right triangle.
따라서 결함으로부터 되돌아오는 초음파의 각도영역을 정확히 측정하면, 직각삼각형에서 한 변의 길이와 그 사이의 각을 알게 되는 것으로, 나머지 두 변의 길이는 이론적으로 계산할 수 있게 된다.Therefore, by accurately measuring the angular area of the ultrasonic return from the defect, the length of one side and the angle between them in the right triangle is known, the length of the remaining two sides can be theoretically calculated.
위상배열 초음파의 진행과 결함에 의해 되돌아오는 신호 상에서 실질적으로 한 변은 결함의 길이가 되므로 결함의 길이를 수학적 삼각법에 의해 구할 수 있게 되는 것이다. 결함의 크기를 평가하기 위해 위상배열 초음파의 전자주사를 이용하여 수학적 계산법칙으로서 치환한 것이다. 즉, 한 변의 길이와 한 내각을 알고 있는 직각삼각형에서 나머지 두 변의 길이를 계산할 수 있는 삼각함수의 이론을 위상배열 초음파에 의한 결함평가 삼각법으로 치환하여 결함평가의 기본 이론식으로 사용하고자 하는 것이다.Since substantially one side becomes the length of the defect on the signal of the phased array ultrasound and the signal returned by the defect, the length of the defect can be obtained by mathematical trigonometry. In order to evaluate the size of the defect, it was substituted as a mathematical calculation rule using electron scanning of phased array ultrasound. That is, the theory of trigonometric function, which calculates the length of the other two sides from the right triangle with the length of one side and the internal angle, is replaced with the defect evaluation triangulation using phased array ultrasound as the basic theory of defect evaluation.
다시 말해서, 도 17에 나타낸 직각 삼각형에서 살펴보면, ∠C = 90, ∠A = θ 인 직각 삼각형 ABC에 있어서, 세 변의 길이 a, b, c 사이의 비의 값은 다음의 수학식 10 내지 수학식 12와 같이 정의 된다.In other words, in the right triangle shown in Fig. 17, in the right triangle ABC where ∠C = 90 and ∠A = θ, the value of the ratio between the lengths a, b, and c of the three sides is expressed by the following equations (10) to (4). It is defined as 12.
만약 위상배열 초음파에 의한 음향 빔이 재료 내를 진행하는 것을 X축을 따라 진행한다고 가정하면, 진행하는 초음파의 센터 빔 및 각도를 가지지 않고 0° 로 재료내부로 진행하는 초음파 빔을 도 17에 나타낸 직각삼각형의 밑변 b 라고 생각할 수 있다.If it is assumed that the acoustic beam by the phased array ultrasonic wave proceeds along the X axis, the ultrasonic beam traveling into the material at 0 ° without the center beam and angle of the ultrasonic wave proceeding is perpendicular to the angle shown in FIG. 17. It can be thought of as the base b of the triangle.
그리고 위상배열 초음파 빔이 결함을 향해 정상적으로 진행하다가 어떤 결함을 만나게 되면 음향 임피던스의 차이로 결함을 만난 대부분의 초음파는 위상배열 초음파 탐촉자(11)로 되돌아가게 된다. 위상배열 초음파에서는 결함을 향해 진행하는 초음파 빔은 일정한 영역의 주사각도를 가지고 진행하기 때문에 결함의 크기에 따라 되돌아오는 초음파 빔도 특정영역의 각도를 가지고 오게 된다. 이 각도를 측정 하면 결함의 크기를 평가할 수 있다.When the phased array ultrasonic beam proceeds normally toward the defect and encounters a defect, most of the ultrasonic waves that meet the defect due to the difference in acoustic impedance are returned to the phased array
즉, 도 13에서 각 θ 를 위상배열 초음파 빔이 결함을 향한 전자 조향각의 반 이라고 가정하면, 변 a 를 결함길이의 반이라고 가정할 수 있다. 따라서 전체결함의 길이를 2a 라고 하고 결함까지 빔이 진행한 거리를 b라고 가정하면 결함의 길이 2a 는 삼각함수로 치환하여 계산할 수 있다. That is, in FIG. 13, if the angle θ is assumed to be half of the electron steering angle of the phased array ultrasonic beam toward the defect, the side a may be assumed to be half of the defect length. Therefore, assuming that the total defect length is 2a and the distance the beam travels to the defect is b, the defect length 2a can be calculated by substituting a trigonometric function.
도 17에서 재료내의 결함에 의해 되돌아오는 초음파 빔의 각도영역을 측정하여 결함을 계산하는 삼각법을 도식적으로 보여주고 있으며 이 방법에 의한 결함의 크기는 도 13에 나타낸 바와 같이 "결함까지의 빔 진행 거리" x "tan(결함각)" 로 표시할 수 있게 된다. 즉, 결함의 길이 L, 초음파 빔의 진행거리 S, 재료내의 결함이 차지하는 각도를 θ 라 하면, 다음의 수학식 13이 된다.FIG. 17 schematically shows a trigonometry method for calculating defects by measuring the angular area of the ultrasonic beam returned by defects in the material, and the magnitude of the defects by this method is shown in FIG. "x" tan "will be displayed. That is, assuming that the length of the defect L, the traveling distance S of the ultrasonic beam, and the angle of the defect in the material are θ, the following equation (13) is obtained.
도 18은 본 발명을 실험하기 위한 시험체의 대비시험편의 설계도이다.18 is a design diagram of a contrast specimen of a test specimen for experimenting the present invention.
또한 도 19는 도 18의 대비시험편의 인공결함에 대하여 종파로 길이별 신호를 표시한 도면이고, 도 20은 도 18의 대비시험편의 인공결함에 대하여 횡파로 길이별 신호를 표시한 도면이며, 도 21은 도 18의 대비시험편의 인공결함에 대하여 표면파로 길이별 신호를 표시한 도면이다.In addition, Figure 19 is a view showing the length-by-length signal for the artificial defect of the contrast test piece of Figure 18, Figure 20 is a view showing the signal for each length of the transverse wave for the artificial defect of the contrast test piece of Figure 18, 21 is a diagram showing signals by length of the surface wave with respect to artificial defects of the contrast test piece of FIG.
그래서 이러한 도 19 내지 도 21에서는 결함 평가용 대비 시험편의 인공결함에 대하여 종파, 횡파, 표면파로 결함의 길이별로 신호를 표시한 대표적인 결과를 나타내었다. 인공결함에 대하여 삼각법으로 결함을 평가하고 그 때의 결함이 차지하는 각도를 측정하여 수학식 13과 같은 삼각법에 의한 계산된 결함의 길이와 실제 시험편에 가공된 결함의 길이를 비교 평가하였다. Thus, in FIGS. 19 to 21, signals representing the lengths of the defects of the longitudinal wave, the transverse wave, and the surface wave for the artificial defects of the test pieces for the defect evaluation are shown. The defects were evaluated by triangulation for artificial defects, and the angle occupied by the defects at that time was measured to compare and evaluate the lengths of the defects calculated by the trigonometry as shown in Equation 13 with the lengths of the defects processed in the actual test specimens.
초음파 빔의 진행은 가변각 웨지(12)를 사용하였을 때에도 가변각 웨지(12) 재료의 초음파 진행 속도와는 큰 상관없이 결함이 있는 위치까지의 일직선적인 빔 진행거리만 따져서 삼각비에 의한 삼각법으로 결함을 계산 평가할 수 있다.Even when the
위상배열 초음파 삼각법의 각도 변화에 따른 결함평가의 정확성 영향을 고찰해보기 위하여 결함평가용 대비시험편에 있는 미소 인공결함을 활용, 같은 크기의 미소결함에 대해 전자주사 각도를 변화하여 가면서 수학식 13에 의한 계산결과와 실제 결함의 길이를 비교한 결과는 다음의 표 2와 같다.In order to investigate the effect of the accuracy of defect evaluation according to the angle change of phased array triangulation method, we use the micro artificial defects in the contrast test specimen for defect evaluation and change the electron scanning angle for the same size of the micro defects. The result of comparing the calculation result and the actual defect length is shown in Table 2 below.
이러한 표 2는 활성 소자수가 32개인 경우의 결함의 길이 1 - 5 mm에 대해서 전자 주사 각 1 - 5°로 변화시키면서 삼각법에 의한 결함의 크기 평가 결과를 나타낸 것이다.Table 2 shows the result of evaluation of the size of the defect by the trigonometry while changing the electron scanning angle 1-5 ° with respect to the length of the defect 1-5 mm in the case of 32 active elements.
따라서 위상배열 초음파의 전자적 주사의 특성을 이용한 결함평가 삼각법은 그 정도가 매우 높고 검사자의 인위적인 실수를 근절할 수 있는 결함평가의 새로운 방법임을 검증하였고 이를 통해 결함평가의 새로운 기법으로 제안한다.Therefore, the defect evaluation triangulation method using the characteristics of the electronic scanning of phased array ultrasound is proved to be a new method of defect evaluation, which is very high and can eliminate the human error.
도 22는 도 7에서 사용하는 대비시험편 중에서 STB A1의 상세 규격을 보인 도면이다.FIG. 22 is a view showing detailed specifications of STB A1 among contrast test pieces used in FIG. 7. FIG.
그래서 삼각법 결함평가 특성 고찰용 대비 시험편(30)은 실험 인자별 특징에 의한 결함평가 결과를 측정할 수 있도록 정확한 길이의 결함을 삽입하여 제작하였다. Thus, the
평가용 대비시험편은 도 12에 나타낸 바와 같이, 가로(285 mm) x 세로(60 mm) x 두께 (50 mm)의 블록의 저면에 10개의 인공결함을 길이, 1 ~ 10 mm로 순차적으로 배열하여 제작하였다.As shown in Fig. 12, the contrast specimens for evaluation were arranged by sequentially arranging 10 artificial defects in a length of 1 to 10 mm on the bottom of a block having a width (285 mm) x a length (60 mm) x a thickness (50 mm). Produced.
결함평가용 시험편(30)의 재질은 일반 강이며, 음속은 5,900 m/sec이다.The material of the test piece for
다음의 표 3에 일반적인 강인 결함 평가용 대비시험편의 화학조성을 나타내었다.Table 3 shows the chemical composition of the comparative test pieces for toughness defect evaluation.
도 23은 도 7에서 시험체에 대한 위상배열 초음파의 기본적인 주사 모양을 보인 도면이다.FIG. 23 is a diagram illustrating a basic scanning shape of phased array ultrasound waves for a test body in FIG. 7.
도 24는 일반 초음파 탐촉자와 도 7의 위상배열 초음파 탐촉자의 정확한 결함길이평가를 위한 탐촉자 보정(calibration)의 예를 보인 개념도이다.24 is a conceptual diagram illustrating an example of a probe calibration for accurate defect length evaluation of a general ultrasonic transducer and the phased array ultrasonic transducer of FIG. 7.
도 25는 도 24에서 탐촉자 보정이 끝난 시험장치에 대해 원하는 빔, 집속 깊이, 조향각 등을 소프트웨어적으로 설정하기 위한 입력 데이터의 예를 보인 도면이다.FIG. 25 is a diagram illustrating an example of input data for setting a desired beam, focusing depth, steering angle, and the like with respect to the test apparatus after the transducer calibration in FIG. 24.
위상배열 초음파 삼각법 특성 및 결함평가 특성 시험에서는 도 25에 보인 바와 같이, 결함의 크기, 길이 등을 효율적으로 평가하기 위해 집속 조정인자(focal law input data)를 소프트웨어에서 설정하였다.In the phased array triangulation and defect evaluation characteristic tests, focal law input data was set in software to efficiently evaluate the size and length of defects, as shown in FIG. 25.
도 26은 도 7에 의해 종파, 횡파, 표면파로 결함의 길이를 평가한 예를 보인 도면이다.FIG. 26 is a diagram illustrating an example of evaluating the lengths of defects in vertical, transverse, and surface waves in FIG. 7.
그래서 결함평가용 시험편(30)을 활용하여, 위상배열 초음파에 의한 전자조향각 변화 및 신호진폭의 비교로 음파의 종류에 따른 정량적인 결함평가가 가능하도록 도 26에 보인 바와 같은 검사방법으로 결함의 길이를 평가하였다.Thus, by using the test piece for
결함의 평가에는 결함의 길이 및 크기, 종류, 형태 등을 평가할 수 있으나 본 발명에서는 정량적 결함평가를 위한 삼각법의 고찰이 목적이므로 결함의 길이 평가에 한정하여 실험을 수행하였다. 결함길이 평가시험이 여러 가지 평가방법 중 가장 정량적인 평가가 가능할 것으로 판단된다. 결함의 크기를 평가하는 데에는 결함의 위치나 접근 가능 정도에 따라 종파와 횡파, 표면파를 이용하는 것이 필요하므로 정확하게 측정되어진 각 길이의 결함을 대비시험편에 모사하였다. 표면파에 의한 평가를 위해 결함길이 평가용 시험편(30)의 이면에 아주 얇은 표면 결함을 선반 가공 하였다.In the evaluation of defects, the length and size, type, shape, and the like of the defects can be evaluated. However, in the present invention, since the purpose of the trigonometry for quantitative defect evaluation is the purpose, the experiment was limited to the evaluation of the defect length. The defect length evaluation test is expected to be the most quantitative of the various evaluation methods. In order to evaluate the size of defects, it is necessary to use longitudinal, transverse, and surface waves depending on the location and accessibility of the defects. In order to evaluate by surface waves, very thin surface defects were lathed on the back surface of the
결함평가용 A, B, C 특수 대비시험편에 있는 각각의 결함에 대해서 횡파, 종파, 표면파 각각의 경우에 대해서 실험을 3회 이상 수행하고 측정 데이터를 평균하였다.For each defect in A, B, and C special comparison test specimens, the experiment was performed three times or more for each of the shear wave, longitudinal wave, and surface wave, and the measured data were averaged.
위상배열 초음파를 이용한 결함을 평가하기 위해서는 정량화된 시험편을 이용해 위상배열 초음파 특유의 결함 신호 표시 방식인 sector scan을 이용 결함이 차지하는 각도의 영역을 고찰하고 이로부터 길이를 평가하기 위하여 일반 대비시험편, 특수 대비시험편, 기타 시험편 등을 활용하여 시험장치의 측정값을 보정하고 결함평가의 신 기법 제안 및 결과의 개연성을 부여하기 위해 결함평가용 대비시험편을 이용하여 결함의 평가를 수행하였다.In order to evaluate defects using phased array ultrasonic waves, quantitative test specimens are used to examine the area of angle occupied by defects using sector scan, a defect signal display method peculiar to phased array ultrasonic waves, and to evaluate the length from them. In order to calibrate the measured values of the test apparatus by using contrast test pieces and other test pieces, and to propose probabilities of new techniques for defect evaluation and to provide probabilities of the results, defect evaluation was performed using contrast test pieces for defect evaluation.
본 발명에서 고찰하고자 하는 위상배열 초음파의 삼각법에 의한 결함의 크기는 전술한 바와 같이, 또한 도 13에서 도식적으로 보는바와 같이 다음의 수학식 14에서와 같이 표시할 수 있게 된다.As described above, the size of a defect by triangulation of phased array ultrasonic waves to be considered in the present invention can be displayed as shown in
그리고 결함 평가용 특수 대비 시험편 A, B, C 에 대하여 종파, 횡파, 표면파, 각각의 경우에 대하여 결함의 길이별로 신호를 표시하고, 그때의 결함이 차지하는 각도를 측정하여 삼각법에 의한 계산된 결함의 길이와 실제 시험편에 가공된 결함의 길이를 비교분석 하였다.In addition, for the specimens A, B, and C for defect evaluation, a signal is displayed for each longitudinal wave, transverse wave, surface wave, and length of defect for each case, and the angle of the defect at that time is measured to determine the calculated defect by triangulation. The length and length of the defects processed on the actual specimens were compared and analyzed.
종파의 경우는 웨지를 사용하지 않고 결함의 크기를 평가하였으며, 횡파 및 표면파인 경우는 웨지를 사용하여 입사 각도별 및 결함의 길이 별로 결함이 차지하는 각도를 측정한 후 수학식 13에 의해 결함의 크기를 평가하였다. 또한 측정의 정확성을 기하기 위하여 같은 실험을 3회 이상 수행하여 평균값을 취하였다.In the case of the longitudinal wave, the size of the defect was evaluated without using the wedge. In the case of the transverse and surface waves, the defect occupied by the angle of incidence and the length of the defect was measured using the wedge. Was evaluated. In addition, in order to determine the accuracy of the measurement, the same experiment was performed three or more times to obtain an average value.
이는 종래 평가방법의 결과와 비교분석을 통해 위상배열 초음파의 결함평가 새로운 방법의 유효성 검증 목적으로 실험을 수행하였다.This experiment was conducted for the purpose of validating the new method of defect evaluation of phased array ultrasound through comparative analysis with the results of the conventional evaluation method.
이처럼 본 발명은 위상배열 초음파의 전자조향 특성을 이용하여 재료내부의 미소한 결함의 길이를 정량적으로 정확하게 평가하게 되는 것이다.As such, the present invention uses the electronic steering characteristics of phased array ultrasonic waves to quantitatively evaluate the length of minute defects in a material.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention may use various changes, modifications, and equivalents. It is clear that the present invention can be applied in the same manner by appropriately modifying the above embodiments. Therefore, the above description does not limit the scope of the invention defined by the limitations of the following claims.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 위상배열 초음파 결함길이평가 장치 및 그 방법은 위상배열 초음파의 전자조향 특성을 이용하여 재료내부의 미소 한 결함의 길이를 정량적으로 정확하게 평가할 수 있는 효과가 있게 된다.As described above, the phased array ultrasonic defect length evaluation apparatus and method thereof according to the present invention have an effect of quantitatively accurately evaluating the length of minute defects in a material by using the electronic steering characteristics of the phased array ultrasonic waves. .
또한 본 발명은 전자적 주사에 의해서 재료내의 결함을 향해 진행하는 빔이 조향각을 가지게 되어 결함으로부터 반사되어 되돌아오는 초음파도 결함의 크기에 좌우되어 특정영역의 각도를 가지게 되며 이 되돌아오는 각도를 측정하여 결함의 길이를 정량적으로 평가할 수 있게 되어 종래의 방식을 대체할 수 있게 된다.In addition, the present invention has a steering angle of the beam propagating toward the defect in the material by the electronic scan, and the ultrasonic wave reflected from the defect also has an angle of a specific area depending on the size of the defect, and measuring the return angle It is possible to quantitatively evaluate the length of can replace the conventional method.
더불어 본 발명은 어떤 특정 크기 이내의 결함 혹은 특정 조향각 이내에서는 인적인 판단에 좌우되는 종래의 결함평가 방식보다 더 정확하게 정량적으로 평가할 수 있는 장점도 있게 된다.In addition, the present invention has the advantage that can be more accurately quantitatively evaluated than the conventional defect evaluation method that depends on human judgment within a certain size or within a certain steering angle.
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