2.1. UWPI 시스템 및 초음파 전파 영상화 알고리즘

2.1.1. UWPI 시스템 개요

UWPI 시스템은 Fig. 1과 같이 Q-Switch 레이저 시스템과 갈바노미터 기반 레이저 미러 스캐너, 초음파 센서, 디지타 이저 및 이미지 처리기로 구성된다.

Fig 1.

Configuration of Pulsed Laser System

Fig 2.

A scheme of a ultrasonic wave propagation imaging system based on a UWPI laser system

Table 1.

Acoustic emission sensor specification

Model name	Resonant Frequency kHz	Sensitivity * dB (0dB=1V/m/s)	Temperature Range
M204A	200±20%	120±3	–20+80

Q-Switch 레이저 시스템은 Q-switched Nd: YAG diode-pumped solid-state 레이저를 사용하며, 그 파장 길이는 1064nm이다. 최대 펄스 반복 주파수는 20Hz이다. 레이저 미러 스캐너는 대상 구조물의 원하는 가진점에 레이저 펄스를 입사시키는 데 사용된다. 레이저 미러 스캐너는 두 개의 갈바노미터로 구동되며 파장 길이 1064nm에서 작동되도록 설계되었다. 갈 바노미터의 최대 각속도는 ±0.35rad (±20.05°)범위 내에서 100rad/s이다. 두 갈바노미터의 회전축은 서로 수직한다. 따 라서 레이저 미러 스캐너는 2차원 스캔 영역을 빠른 속도로 스캔할 수 있게 된다. 스캔이 진행되는 동안 레이저 미러 스 캐너는 먼저 수직축으로 상향 스캔을 실시하며 수직축 스캔 이 완료된 후 수평축으로 이동하여 하향 스캔을 실시하게 된 다. 이러한 일련의 스캔 과정을 통해 대상 구조물에 격자 형 태로 초음파 가진을 수행한다. 이 때 수평축 및 수직축에서 실시한 격자 간격은 일정하며, 갈바노미터의 속도에 따라 펄 스 반복 주파수를 설정할 수 있다.

레이저 빔이 대상 구조물의 표면에 입사되면 열탄성 메커 니즘에 의해 대상 구조물에서는 초음파가 가진되며, 이 초음 파는 계측점까지 전파된다. 초음파 계측은 접촉식 또는 비접 촉식으로 모두 가능하며, 본 연구에서는 실험 구성을 간편화 하기 위해 접촉식으로 구성하였다. UWPI 시스템에서는 고 정 계측점에서 초음파 응답을 계측하므로 센서 설치는 매우 간단하다. 추가로 센서의 위치는 가진면과 동일한 면 또는 가진면의 반대면에 설치할 수 있다. 이는 SHM/NDT 검사를 수행하는 대상 구조물에서 항상 모든 면이 개방되어 있지는 않으므로 중요한 점이다. 계측된 초음파 응답은 필터링 및 증폭 과정을 거친다. 필터링 과정은 해석을 위한 특정 주파 수 대역을 설정뿐만 아니라 랜덤 잡음의 제거를 통해 신호 대 잡음비를 높여주기 위해 필수적으로 요구된다.

2.1.2. 초음파 전파 영상화 알고리즘

계측된 시간 영역의 초음파 신호를 이용하여 초음파 전파 영상을 생성하기 위한 단계는 Fig. 3과 같이 총 3단계이다. 먼저, 계측된 신호로부터 관찰하고자 하는 주파수 영역 선택 을 위해 필터링 과정 및 웨이블릿 변환을 실시하게 된다. 이 때 필터링 과정을 통해 전파되는 유도 초음파의 모드 차수를 결정할 수 있다. 다음으로 특정 모드만을 선택하여 영상화를 수행하기 위해 웨이블릿 변환을 수행할 수 있는데, 이는 특 정 손상에 민감한 모드를 선택적으로 영상화할 때 유용하게 사용 가능하다. 다음 단계에서는 처리된 시간 영역 신호를 세로축 (또는 가로축)으로 나열한다. 이 때 각 계측 신호는 레이저 빔 입사 지점에 위치시킨다. 이 과정을 가로축 (또는 세로축)으로 반복하여 가로축, 세로축, 시간축의 3차원 데이 터를 구성한다. 다음으로 구성된 3차원 데이터를 시간축 방 향으로 잘라내는 평면을 이용하면, 이 평면에 각 가진점의 값이 초음파 진폭 값이 되며 시간축에 대해 계측 시간만큼 반복하여 영상을 재생하면 초음파 전파 영상을 얻을 수 있다.

Fig 3.

A scheme of an ultrasonic wave propagation imaging algorithm

2.2. 초음파 전파 영상 기반 손상 진단 알고리즘

본 연구에서는 초음파 전파 영상을 이용하여 입사파를 제 거한 상태에서의 손상에서 반사되는 반사파만을 관찰함으로 써 손상을 진단하는 알고리즘을 적용한다. 먼저, 입사파의 진행 방향과 관련있는 변수는 초음파의 wavenumber로써 입 사파의 진행 방향은 음의 wavenumber로써, 반사파의 진행 방향은 양의 wavenumber로써 표현된다. Wavenumber는 공 간 주파수로써의 의미를 갖는데, 본 연구에서 획득한 공간 및 시간의 3차원 데이터를 이용할 경우 다음과 같은 3차원 퓨리에 변환을 통해 공간 및 시간의 3차원 데이터를 주파수 및 wavenumber의 3차원 데이터로 변환할 수 있다 (^{Ruzzene, 2007}; ^{Michaels et al., 2011}).

여기서, w(xyt)는 시간 영역에서의 2차원 유도 초음파 신호이며, 3차원 퓨리에 변환을 통해 변환된 W(k_xk_yw) 는 주파수 영역에서의 신호이다 (^{Green Jr, 2004}). k_x 및 k_y 는 각각 x 축과 y 축 방향의 wavenumber이다. 따라서 파의 진행 방향에 대한 x축 또는 y축 방향의 음의 wavenumber 를 소거하면 반사파만을 취할 수 있는데, 이를 wavenumber filtering이라 한다. 본 연구에서는 wavenumber 소거를 위해 rectangular window를 사용하였다.

다음으로 wavenumber filtering된 신호로부터 손상 진단을 위해 RMS (Root Mean Square) 값을 이용하였다. RMS 값 은 신호의 에너지 변화량을 나타내어주므로, 손상에서의 반 사파의 에너지 변화량을 관찰하기에 적합하다. RMS 값은 다음과 같이 계산할 수 있다 (^{Radzieńsk et al., 2011}).

여기서, T 는 계측 신호의 주기이며, w^r 는 반사파를 나타 낸다.

실제 계측한 데이터는 이산형 데이터이므로 식 (2)를 다음 과 같이 수정하여 손상 진단에 적용하였다.

여기서, N 은 계측한 데이터의 샘플 수를 나타낸다.

마지막으로 손상의 영향을 효과적으로 관찰하기 위해 식 (4)와 같이 RMS 값에 가중치를 곱한다.

여기서, k는 가중치 계수를 나타낸다.

추가로 계산된 RMS에 log를 적용하여 반사파의 영향을 극대화하여 표현할 수 있다.

3.1. 직관부 Testbed 손상 진단 시험

실험에 사용한 배관은 Photo 1 과 같이 길이 2000mm, 직 경 160mm, 두께 3mm의 SUS관이다. 이 경우는 실제 구조 물에서의 적용성을 고려하기 위해 scanning 위치와 같은 면 에 센서를 부착하였으며, 손상 또한 배관의 외부 표현에 형 성했다. 배관은 평판과는 다르게 곡면에서 scanning을 수행 하게 되므로 scanning 폭에 제약이 따른다.

Photo 1.

Straight Pipe Testbed and Scan Area

본 실험에서 사용한 배관에서는 약 80mm 폭을 넘게 되면 레이저가 배관의 측면을 타원형태로 가진하게 되므로 구조 물에 정확한 타격이 가해지지 못한다. 또한 곡면 특성을 고 려하여 이 경우는 scanning interval을 1mm로 하였다.

강관 구조물에서의 초음파 전파 현상은 크게 종파 모드, 비틀림 모드, 휨 모드의 3가지 모드에 기반한다. 배관 표면 에서 발생 가능한 손상은 주로 용접부에서의 균열로서 배관 의 길이 방향과 수직하므로 손상이 종파 모드의 파면에 접한 다. 따라서 종파 모드 입사파의 손상에서의 반사파만을 추출 함으로써 손상 검출이 가능하다. Fig. 4 및 Fig. 5에서는 종 파 모드가 명확하게 나타나는 시간에 영상을 획득하였다. 그 리고 Wavenumber filtering을 통해 하향 입사파를 제거하였 다. 종파 모드에서 모두 하향 방향으로 초음파가 전파되므로 Fig. 5와 같이 입사파가 제거되었다. 따라서 Fig. 5b와 같 이 손상에서의 반사파가 명확하게 관찰되어 손상 유무를 확 인할 수 있다.

Fig 4.

UWPI Snapshots before Wavenumber Filtering (80µs, 180µs)

Fig 5.

UWPI Snapshots after Wavenumber Filtering (80µs, 180µs)

Fig 6.

RMS Maps (80µs, 180µs)

Fig. 6은 RMS 영상으로써 손상이 명확히 관찰되어 실제 구조물에서의 본 기법의 적용성을 확인하였다.

3.2. 용접부 및 곡관부 Testbed 손상 진단 시험

제작 시편의 용접부는 Photo 2와 같이 직선 배관부 1구간, 곡관부 1구간으로 제작되었다.

Photo 2.

Weld Zone and Curved Pipe Testbed

손상 진단 실험을 수행한 용접부는 Photo 2와 같이 단순 용접부 손상 진단을 위한 직관 용접부 1구간, 곡관 용접부에 서의 손상과 초음파 응답 간의 상호작용을 고려하기 위한 곡 관부 1구간으로 선정하였다. 두 구간에서 각각 깊이 2mm, 폭 1mm, 길이 30mm의 notch를 균열로 가정하여 인위적으 로 생성시켰다. 각 구간의 레이저 스캔 영역은 Photo 3 과 같 이 직선 배관부에서는 폭 220mm, 높이 200mm, 곡관부에서 는 곡관부를 일부 포함시켜 폭 330mm, 높이 200mm로 하였 으며, 레이저 가진 포인트 간 간격을 2mm로 설정하였다.

Photo 3.

Scan Area of Weld Zone

레이저 가진 포인트 간 간격은 초음파 파장 길이와 연관이 있으며 배관 표면의 곡률 및 배관 두께에 따른 초음파 응답 의 주파수 대역 등에 따라 설정될 수 있는데, 간격이 조밀할 경우 계측되는 데이터의 수가 급격히 증가하여 영상 처리 속 도가 느려지며, 간격이 성긴 경우 획득한 초음파 영상의 해 상도가 낮아진다. 이러한 조건을 고려하여 본 실험에서는 레 이저 가진 포인트 간 간격을 2mm로 설정하였다. 레이저 스 캔 속도는 초당 최대 20포인트로써 직선 배관부는 11,211 포인트를 가진하게 되어 약 9.3분이 소요되며, 곡관부는 16,665 포인트를 가진하여 약 13.9분이 소요된다. 이는 레이 저 가진 장비에 의해 좌우되는데, 좀 더 고사양의 장비를 이 용할 경우 초당 최대 약 1,500포인트를 가진 할 수 있어 계 측 시간을 약 1/75 단축시킬 수 있어 단시간에 넓은 지역도 효과적으로 진단 할 수 있다.

먼저 레이저 가진 시스템을 이용하여 직선 배관부의 초음 파 전파 영상을 112µs에서 획득하여 Fig. 7에 나타내었다. 배관에서의 초음파의 분산 특성은 크게 종파 모드와 횡파 모 드로 나타나는데, 손상이 파면과 접할 때 반사파의 에너지량 이 가장 크게 나타나므로 여기에서는 종파 모드만 관찰되는 시간에서 영상을 획득하였다. Fig. 7a는 정상 상태에서 획 득한 초음파 영상이지만 (110, 100) 부근에서 반사파가 약하 게 관찰되는데, 이는 용접부에 의한 반사파이다. 반면, Fig. 7b는 Fig. 7a에 비해 좀 더 큰 에너지량이 반사되는데 이는 용접부는 물론 notch에 의한 반사파이다. 획득한 초음파 전파 영상을 wavenumber filtering 하면 Fig. 8과 같다. wavenumber filtering을 통해 종파 모드의 입사파를 제거하면 Fig. 8b와 같이 notch 손상에서의 반사파 및 standing wave만이 관찰 된다. 하지만 wavenumber filtering 후에도 잔류 입사파에 의해 손상이 명확하게 관찰되지 않는데, RMS를 계산하여 특정 시간까지의 에너지 누적량을 관찰함으로써 Fig. 9와 같 이 손상이 명확하게 관찰된다.

Fig 7.

UWPI Snapshots before Wavenumber Filtering of Straight Pipe (112µs)

Fig 8.

UWPI Snapshots after Wavenumber Filtering of Straight Pipe (112µs)

Fig 9.

RMS Maps of Straight Pipe (112µs)

다음으로 곡관부의 notch 손상 진단 결과를 다음 그림에 나타내었다. Fig. 10과 같이 직선 배관부와 마찬가지로 손상 유무와 상관없이 용접부에서 반사파가 관찰되었다. 또한 곡 관부의 형상이 초음파 경로로써 선명하게 영상화가 되었음 을 확인하였다. 다음으로 wavenumber filtering을 수행하였 는데, 직선 배관부와 유사하게 Fig. 11b와 같이 손상에 의 한 반사파가 관찰된다. 마지막으로 RMS를 계산하여 결과를 Fig. 12에 나타내었다. 이 경우 정상 상태에서 용접부에서 RMS 변화 양상이 나타나는데, 이는 용접부의 standing wave가 관찰되는 결과이다. 반면, 손상 상태에서의 RMS 영 상에서는 손상 영역에서 RMS 변화량이 명확하게 관찰된다. 정상 상태와 손상 상태의 RMS 영상을 비교해보면 정상 상 태에서의 용접부에서도 standing wave가 관찰되나 그 영역 이 넓게 퍼져있는 것을 알 수 있으며, 손상 상태의 경우 손 상에 그 에너지가 집중되어 효과적으로 손상이 검출되었음 을 알 수 있다.

Fig 10.

UWPI Snapshots before Wavenumber Filtering of Curved Pipe (70µs)

Fig 11.

UWPI Snapshots after Wavenumber Filtering of Curved Pipe (80µs)

Fig 12.

RMS Maps of Curved Pipe (400µs)