利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置及方法與流程

2023-05-23 09:06:47

本發明的實施例涉及利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置及利用其的熱化評價及強度估算方法。

背景技術：

最近，關於使超聲波向被檢查體入射並利用透過被檢查體的超聲波的基本頻率成分的振幅和高頻成分的振幅計算超聲波非線性參數，利用所計算的上述超聲波非線性參數來對被檢查體的物性變化進行評價的利用超聲波非線性參數的評價裝置的研究正在積極開展。

但是，若被檢查體被熱處理，從而發生被檢查體的熱化，則會生成析出物，接著，析出物在成長及結合之後被消滅，根據上述析出物的生成及消滅，超聲波非線性參數會增減。

因此，以往的評價裝置很難單一且準確地測定被檢查體的熱化程度。即，在發生被檢查體的熱化的情況下，隨著析出物的量的增加，超聲波非線性參數也會一同增加，以往的評價裝置僅根據特定時間點的超聲波非線性參數來測定被檢查體的熱化程度，從而導致熱化程度不同且不準確。

另一方面，在固體中，彈性波的傳播速度取決於如傳播介質的彈性係數、密度及泊松比等的物性。因此，通過測定彈性波的傳播速度來計算傳播介質的彈性係數，從而可估算傳播介質的物性。計算傳播介質的彈性係數的方法包括利用屬於彈性波的超聲波來計算超聲波的傳播速度，由此計算出線性彈性係數的線性彈性係數測定方法。

但是，線性彈性係數測定方法存在無法評價傳播介質的微觀特性或彈性性質的微細變化及熱化等的缺點。作為解決上述缺點的方法，開展了有關超聲波非線性參數和非線性彈性係數的相關關係的理論研究。

上述研究結果，確認了1次超聲波非線性參數和三次彈性係數的關係。如上所述，研究了1次超聲波非線性參數和三次彈性係數的相關關係，但是對二次以上超聲波非線性參數和四次以上彈性係數的關係尚未進行研究。

相關現有技術為韓國公開專利公報第10-2012-0031674(發明名稱：非線性評價系統及裝置公開日：2012年4月4日)。

技術實現要素：

技術問題

本發明一實施例提供可利用超聲波定量評價被檢查體的熱化，可通過非破壞方式估算被檢查體的強度的利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置及利用其的熱化評價及強度估算方法。

本發明所要解決的問題並不局限於以上提及的問題，本發明所屬技術領域的普通技術人員可從以下的記載理解未提及的其他問題。

技術手段

本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置包括：超聲波發送部，用於使單頻超聲波信號向被檢查體入射；超聲波接收部，用於接收透過上述被檢查體或從上述被檢查體反射的超聲波信號；信號處理部，通過藉助上述超聲波接收部接收的超聲波信號的時間間隔計算傳播速度，將所接收的上述超聲波信號分成基本頻率成分和高頻成分並計算非線性參數，利用上述傳播速度及上述非線性參數測定線性及非線性彈性係數；以及強度估算部，利用上述線性及非線性彈性係數獲得拉伸曲線，利用上述拉伸曲線估算拉伸強度及屈服強度中的至少一種。

上述信號處理部可通過對上述超聲波發送部和上述超聲波接收部進行控制來測定二次非線性參數、三次非線性參數及二次線性彈性係數，並利用上述二次非線性參數、上述三次非線性參數及上述二次線性彈性係數測定三次非線性彈性係數及四次非線性彈性係數，上述強度估算部利用上述二次線性彈性係數、上述三次非線性彈性係數及上述四次非線性彈性係數獲得上述拉伸曲線，或者利用上述二次線性彈性係數、上述二次非線性參數及上述三次非線性參數獲得上述拉伸曲線。

上述信號處理部可利用上述基準試片和上述被檢查體的相對非線性參數之比和上述基準試片的絕對非線性參數來估算上述被檢查體的絕對非線性參數，利用上述傳播速度及上述絕對非線性參數測定上述線性及非線性彈性係數。

上述相對非線性參數之比可以是通過上述被檢查體的相對非線性參數除以上述基準試片的相對非線性參數的運算方法來計算出的。

上述強度估算部可根據上述拉伸強度的最大值估算上述拉伸強度。

上述強度估算部可通過在上述拉伸曲線適用0.2％偏差來估算上述屈服強度。

本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置還包括熱化評價部，以通過累積上述非線性參數的變化量來計算的累積非線性參數為基礎，對上述被檢查體的損傷時間點進行評價。

上述信號處理部可獲得基於藉助上述超聲波接收部接收的超聲波信號的隨時間變化的非線性參數，通過累積上述非線性參數的變化量來計算上述累積非線性參數。

本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置包括：超聲波發送部，用於使單頻超聲波信號向被檢查體入射；超聲波接收部，用於接收透過上述被檢查體或從上述被檢查體反射的超聲波信號；信號處理部，獲得基於藉助上述超聲波接收部接收的超聲波信號的隨時間變化的非線性參數，通過累積上述非線性參數的變化量來計算上述累積非線性參數；以及熱化評價部，以上述非線性參數為基礎，對上述被檢查體的損傷時間點進行評價。

本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算方法包括如下的步驟：使單頻超聲波信號向被檢查體入射的步驟；接收透過上述被檢查體或從上述被檢查體反射的超聲波信號的步驟；通過所接收的上述超聲波信號的時間間隔計算傳播速度的步驟；通過將所接收的上述超聲波信號分成基本頻率成分和高頻成分並計算非線性參數的步驟；利用上述傳播速度及上述非線性參數來測定線性及非線性彈性係數的步驟；利用上述線性及非線性彈性係數來獲得拉伸曲線的步驟；以及利用上述拉伸曲線估算拉伸強度及屈服強度中的至少一種的步驟。

上述計算非線性參數的步驟可包括通過將所接收的上述超聲波信號分成基本頻率成分和高頻成分並計算二次非線性參數及三次非線性參數的步驟，上述測定線性及非線性彈性係數的步驟包括如下的步驟：以上述傳播速度為基礎測定二次線性彈性係數的步驟；以及利用上述二次非線性參數、上述三次非線性參數及上述二次線性彈性係數來測定三次非線性彈性係數及四次非線性彈性係數的步驟，上述獲得拉伸曲線的步驟包括如下的步驟：利用上述二次線性彈性係數、上述三次非線性彈性係數及上述四次非線性彈性係數來獲得上述拉伸曲線的步驟；以及利用上述二次線性彈性係數、上述二次非線性參數及上述三次非線性參數來獲得上述拉伸曲線的步驟。

上述測定線性及非線性彈性係數的步驟可包括如下的步驟：利用基準試片和上述被檢查體的相對非線性參數之比和上述基準試片的絕對非線性參數來估算上述被檢查體的絕對非線性參數的步驟；以及利用上述傳播速度及上述絕對非線性參數來測定上述線性及非線性彈性係數的步驟。

上述進行估算的步驟可包括根據上述拉伸曲線的最大值估算上述拉伸強度的步驟。

上述進行估算的步驟可包括在上述拉伸曲線適用0.2％偏差來估算上述屈服強度的步驟。

本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算方法還可包括如下的步驟：通過累積上述非線性參數的變化量計算累積非線性參數的步驟；以及以上述累積非線性參數為基礎，對上述被檢查體的損傷時間點進行評價的步驟。

其他實施例的具體事項包含在詳細說明及附圖。

技術效果

根據本發明的一實施例，從超聲波信號利用線性/非線性彈性係數來評價可在如拉伸試驗等的破壞試驗中獲得的材料的拉伸特性(拉伸強度、屈服強度等)，由此，不經過拉伸試驗也可準確診斷材料的強度特性及如強度下降的熱化。

根據本發明的一實施例，若將本發明設置於結構物來利用，則可不間斷地監測基於隨時間變化的強度下降，因此可用成結構物健全性監測(SHM)技術。

附圖說明

圖1為示出用於說明本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置的框圖。

圖2為示出在本發明一實施例中測定基於鋁合金的熱處理時間的非線性參數的試驗結果的圖表。

圖3為示出在本發明一實施例中測定基於鋁合金的熱處理時間的累積非線性參數的試驗結果的圖表。

圖4為用於說明通過本發明一實施例的拉伸強度估算拉伸強度、屈服強度等的一例的圖。

圖5至圖7為用於說明本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算方法的流程圖。

圖8為用於說明本發明另一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算方法的流程圖。

具體實施方式

與附圖一同參照詳細後述的實施例，本發明的優點和/或特徵及實現上述優點及特徵的方法變得明確。但是，本發明並不局限於以下公開的實施例，本發明可體現為不同的多種形態，只是，本實施例使本發明的公開變得完整，本實施例用於向本發明所屬技術領域的普通技術人員提供本發明的完整範疇，本發明的範圍通過發明要求保護範圍的範疇定義。在整個說明書中，相同附圖標記表示相同結構要素。

以下，參照附圖，詳細說明本發明的實施例。

圖1為用於說明本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置的框圖。

參照圖1，本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置100可包括超聲波發送部110、超聲波接收部120、信號處理部130、強度估算部140、熱化評價部150及控制部160。

上述超聲波發送部110使單頻超聲波信號向被檢查體入射。

上述超聲波接收部120接收透過上述被檢查體或從上述被檢查體反射的超聲波信號。

上述超聲波發送部110和上述超聲波接收部120為眾所周知的事項，因此將省略對其的詳細說明。

上述信號處理部130通過藉助上述超聲波接收部120接收的超聲波信號的時間間隔計算傳播速度，並將所接收的上述超聲波信號分成基本頻率成分和高頻成分。

上述信號處理部130求得上述基本頻率成分的振幅和上述高頻成分的振幅並代入以下數學式1，由此計算(二次)非線性參數。

數學式1

其中，β為二次非線性參數，A1為基本頻率成分的振幅大小，A2為高頻成分的振幅大小。並且，k為波數(wave number)，x為傳播距離。

上述信號處理部130利用上述傳播速度及上述非線性參數來測定線性及非線性彈性係數。

具體地，上述信號處理部130控制上述超聲波發送部110和上述超聲波接收部120來測定二次非線性參數、三次非線性參數及二次線性彈性係數，可利用上述二次非線性參數、上述三次非線性參數及上述二次線性彈性係數來測定三次非線性彈性係數及四次非線性彈性係數。

上述二次非線性參數可通過上述數學式1測定。

上述三次非線性參數可通過以下數學式2測定。

即，上述信號處理部130求得從藉助上述超聲波接收部120接收的超聲波信號分離的基本頻率成分和三次高頻成分各個的振幅大小並代入以下數學式2中，從而可測定上述三次非線性參數。

數學式2

其中，γ為三次非線性參數，A1為基本頻率成分的振幅大小，A3為三次高頻成分的振幅大小，k為波數，x為傳播距離。上述三次非線性參數與上述二次非線性參數滿足以下數學式3的關係。

數學式3

γ＝β2

上述二次線性彈性係數可通過以下數學式4測定。

即，上述信號處理部130可測定藉助上述超聲波接收部120接收的超聲波信號的縱波傳播速度和橫波傳播速度並代入以下數學式4中，從而可測定上述被檢查體的二次線性彈性係數。

數學式4

其中，E為二次線性彈性係數，ρ為傳播介質的密度，CL為超聲波的橫波傳播速度，CS為超聲波的縱波傳播速度。

上述三次非線性彈性係數可通過以下數學式5測定。

即，上述信號處理部130可將上述二次非線性參數和上述二次線性彈性係數代入以下數學式5中來測定上述三次非線性彈性係數。

數學式5

F＝βE

其中，F為三次非線性彈性係數，β為二次非線性參數，E為二次線性彈性係數。

上述四次非線性彈性係數可通過以下數學式6測定。

如以下數學式6所示，上述四次非線性彈性係數和上述三次非線性參數的關係可由上述四次非線性彈性係數和上述二次非線性參數表示。

因此，上述信號處理部130可將上述二次線性彈性係數和上述二次非線性參數代入以下的數學式6來測定上述四次非線性彈性係數。

數學式6

其中，G為四次非線性彈性係數，γ為三次非線性參數。並且，E為二次線性彈性係數，β為二次非線性參數。

另一方面，作為再一實施例，上述信號處理部130利用基準試片和上述被檢查體的相對非線性參數之比和上述基準試片的絕對非線性參數來估算上述被檢查體的絕對非線性參數。上述信號處理部130可利用上述傳播速度及上述絕對非線性參數來測定上述線性及非線性彈性係數。

其中，上述被檢查體的相對非線性參數之比可通過上述被檢查體的相對非線性參數除以上述基準試片的相對非線性參數的運算方法來計算。

對於估算上述被檢查體的絕對非線性參數的過程說明如下。

即，上述信號處理部130可利用頻帶濾波器來將所接收的上述超聲波信號分成基本頻率成分和二次高頻成分，並可測定上述基準試片和上述被檢查體的相對非線性參數。上述信號處理部130可將上述基本頻率成分及上述二次高頻成分適用於以下的非線性參數數學式7來測定上述基準試片和上述被檢查體的相對非線性參數的值。

數學式7

其中，β為上述(二次)相對非線性參數值，A1為上述基本頻率成分的振幅，A2為上述二次高頻成分的振幅大小。

接著，如以下數學式8所示，上述信號處理部130通過上述被檢查體的上述非線性參數除以上述基準試片的相對非線性參數的運算方法來計算上述基準試片和上述被檢查體的相對非線性參數比(ratio)。

數學式8

其中，rβ為相對非線性參數值之比，β0'為基準試片的相對非線性參數值，β'為被檢查體的相對非線性參數值。

接著，上述信號處理部130利用所計算的上述相對非線性參數之比和上述基準試片的絕對非線性參數來估算上述被檢查體的絕對非線性參數。

此時，如以下數學式9所示，上述信號處理部130通過所計算的上述相對非線性參數之比乘以上述基準試片的絕對非線性參數的運算方法估算上述被檢查體的絕對非線性參數。由此，根據本發明的一實施例，可獲得作為上述超聲波信號的非線性參數的上述估算的被檢查體的絕對非線性參數。

數學式9

β＝β0·rβ

其中，β為被檢查體的絕對非線性參數，β0為絕對非線性參數值，rβ為相對非線性參數值。

上述強度估算部140利用上述線性及非線性彈性係數獲得拉伸曲線，並利用上述拉伸曲線估算拉伸強度及屈服強度中的至少一種。

即，上述強度估算部140將上述二次線性彈性係數、上述三次非線性彈性係數及上述四次非線性彈性係數代入以下數學式10中來獲得上述拉伸強度，或者，將上述二次線性彈性係數、上述二次非線性參數及上述三次非線性參數代入以下數學式11中來獲得拉伸曲線。

數學式10

其中，σ為應力，ε為變形率。並且，E為二次線性彈性係數，F為三次非線性彈性係數，G為四次非線性彈性係數。

數學式11

其中，σ為應力，ε為變形率。而且，β為二次非線性參數，γ為三次非線性參數。

如圖4所示，上述強度估算部140可根據上述拉伸曲線的最大值估算上述拉伸強度，可在上述拉伸曲線適用0.2％的偏差來估算上述屈服強度。

上述熱化評價部150能夠以通過累積上述非線性參數的變化量來計算的累積非線性參數為基礎來對上述被檢查體的損傷時間點進行評價。

為此，上述信號處理部130可獲得基於藉助上述超聲波接收部120接收的超聲波信號的隨時間變化的非線性參數，並通過累積上述非線性參數的變化量來計算上述累積非線性參數。

即，上述信號處理部130可將初始非線性參數及上述非線性參數的變化量代入以下的數學式12中來計算上述累積非線性參數。

數學式12

βc＝β0十∑|Δβ|

其中，βc為累積非線性參數，β0為初始非線性參數，βΔ為隨時間變化的非線性參數的變化量。作為參考，在材料被進行熱處理的情況下，可向上述數學式11代入上述數學式12的βc。

即使上述熱化評價部150在其他熱處理溫度中進行高溫熱化，若上述累積非線性參數(βc)相同，則上述熱化評價部150判斷為受到相同損傷。由此，可判斷材料(被檢查體)的損傷程度，可通過上述累積非線性參數評價上述被檢查體的損傷時間點。

如圖2所示，在本發明一實施例中，測定基於鋁合金的熱處理時間的非線性參數，如圖3所示，求得基於鋁合金的熱處理時間的非線性參數的試驗結果，若相同，則可判斷為承受相同的損傷。

由此，上述熱化評價部150可判斷上述材料(被檢查體)的損傷程度，並通過上述累積非線性參數評價上述被檢查體的損傷時間點。

上述控制部160可控制本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算裝置100，即，上述控制部160可以整體上控制上述超聲波發送部110、上述超聲波接收部120、上述信號處理部130、上述強度估算部140及上述熱化評價部150等的動作。

圖5為用於說明本發明一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算方法的流程圖。上述方法可通過圖1的熱化評價及強度估算裝置100執行。

參照圖5，在步驟510中，上述熱化評價及強度估算裝置使單頻超聲波信號向被檢查體入射。

接著，在步驟520中，上述熱化評價及強度估算裝置接收透過上述被檢查體或從上述被檢查體反射的超聲波信號。

接著，在步驟530中，上述熱化評價及強度估算裝置通過所接收的上述超聲波信號的時間間隔計算傳播速度。

接著，在步驟540中，上述熱化評價及強度估算裝置將所接收的上述超聲波信號分成基本頻率成分和高頻成分來計算非線性參數。

接著，在步驟550中，上述熱化評價及強度估算裝置利用上述傳播速度及上述非線性參數來測定線性及非線性彈性係數。

具體地，參照圖6，在步驟610中，上述熱化評價及強度估算裝置以上述傳播速度為基礎測定二次線性彈性係數。接著在步驟620中，上述熱化評價及強度估算裝置可利用二次非線性參數、上述三次非線性參數及上述二次線性彈性係數來測定三次非線性彈性係數及四次非線性彈性係數。

作為另一實施例，參照圖7，在步驟710中，上述熱化評價及強度檢測裝置利用基準試片和上述被檢查體的相對非線性參數之比和上述基準試片的絕對非線性參數來估算上訴後被檢查體的絕對非線性參數。接著在步驟720中，上述熱化評價及強度估算裝置可利用上述傳播速度及上述絕對非線性參數來測定上述線性及非線性彈性係數。

再次參照圖5，在步驟560中，上述熱化評價及強度估算裝置利用上述線性及非線性彈性係數獲得拉伸曲線。

接著，在步驟570中，上述熱化評價及強度估算裝置利用上述拉伸曲線估算拉伸強度和/或屈服強度。

圖8為用於說明本發明另一實施例的利用超聲波的熱化評價及強度估算方法的流程圖。上述方法可通過圖1的熱化評價及強度估算裝置100執行。

參照圖8，在步驟810中，上述熱化評價及強度估算裝置使單頻超聲波信號向被檢查體入射。

接著，在步驟820中，上述熱化評價及強度估算裝置接收透過上述被檢查體或從上述被檢查體反射的超聲波信號。

接著，在步驟830中，上述熱化評價及強度估算裝置通過所接收的上述超聲波信號的時間間隔計算傳播速度。

接著，在步驟840中，上述熱化評價及強度估算裝置將所接收的上述超聲波信號分成基本頻率成分和高頻率成分並計算非線性參數。

接著，在步驟850中，上述熱化評價及強度估算裝置累積隨時間變化的上述非線性參數的變化量來計算累積非線性參數。

接著，在步驟860中，上述熱化評價及強度估算裝置以上述累積非線性參數為基礎，對上述被檢查體的損傷時間點進行評價。

以上，說明了本發明的具體實施例，在不超出本發明的範圍內，可進行多種變形。因此，本發明的範圍並不局限於上述說明的實施例，本發明的範圍通過發明要求保護範圍和上述發明要求保護範圍的等同技術方案定義。

如上所述，雖然通過限定的實施例和附圖說明了本發明，但是本發明並不局限於上述實施例，只要是本發明所屬技術領域的普通技術人員，即可從上述記載進行多種修改及變形。因此，本發明的思想僅通過所記載的發明要求保護範圍把握，發明要求保護範圍的等同或等價變形均屬於本發明的思想範疇。