[논문 리뷰] Air-coupled thickness measurements of stainless steel

Grunde Waag, Lars Hoff외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 01.

Optical measurement and interference techniques참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 200–600 kHz 범위의 밴드폭 펄스를 사용하여 공기 결합을 통한 투과 초음파를 통해 스테인리스 강판의 비접촉 두께 측정을 수행한다. 10.0 mm, 9.8 mm, 9.6 mm 영역 간 두께 차이 0.2 mm(2%)를 명확히 구분하였으며, 두 번째 고조파 공진 주파수는 예상값과 일치하고, 첫 번째 고조파의 편차는 유한한 투과기 압력면 효과로 기인한다.

ABSTRACT

A method of measuring the thickness of steel plates using through transmission of an acoustic pulse is demonstrated. This study has been done on a stainless steel plate with regions of thickness 10:0 mm, 9:8 mm, and 9:6 mm, using broadband pulses with energy in 200 kHz to 600 kHz band. Ultimately the goal is to perform similar air-coupled thickness measurements in a single sided pitch-catch measurement setup. The spectra of the transmitted pulses show the first and second harmonics of the compressional waves in the plate. When compared to a plane wave model of a fluid layer embedded in air, the second harmonic of the plate resonance fits well with the expected value. However, the first harmonic deviates such that the plate appears thicker at this resonance. This is believed to be caused by the finite aperture of the transmitting transducer, causing deviations from a plane wave. Thickness differences of 0:2 mm between the different regions of the plate were shown to be resolved. A third peak was found in the spectra. The origin of this peaks has not been verified, but is believed to come from the third harmonic of the shear wave in the steel plate.

연구 동기 및 목표

• 액체 커플링제 없이 비접촉식 공기 결합 초음파 방법을 통해 강판 두께를 측정하는 것을 목적으로 한다.
• 공기와 강판 사이의 높은 전송 손실(~-45 dB)을 극복하기 위해 밴드폭 펄스와 신호 평균화를 사용한다.
• 단일 측면 피치-캐치 구성을 통해 공진 주파수 분석을 통해 최소 0.2 mm의 두께 차이를 구분하는 것을 목적으로 한다.
• 측정된 공진 주파수와 예상 주파수 간의 불일치, 특히 첫 번째 고조파에 대한 원인을 조사한다.
• 측정된 전송 스펙트럼에서 확인된 검증되지 않은 세 번째 피크의 기원을 탐구한다. 이는 종파 모드의 고조파와 관련이 있을 수 있다.

제안 방법

• 두 투과기 사이에 공기를 커플링 매질로 사용하여 스테인리스 강판(100 mm 거리)에 대해 투과 초음파를 적용한다.
• 전송용으로 맞춤 제작한 540 kHz 투과기(18 mm 지름), 수신용으로 NCT500-D6 500 kHz 수신기(6 mm 활성 요소)를 사용하며, 둘 다 평면 요소를 갖는다.
• 200–600 kHz 범위의 선형 치르프 펄스를 적용하고, 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 200회의 기록을 평균화한다.
• 수신 신호에 시간 게이팅(130 ms 창)을 적용하여 전달된 펄스를 분리하고 전자기 결합 및 반사파 간섭을 줄인다.
• 시간 게이팅된 신호로부터 전력 스펙트럼을 추정하고, 유체층 전송 모델(Eq. 2)을 적용하여 공진 주파수와 강판 두께 간의 관계를 설정한다.
• 영역 A(10.0 mm)에서 두 번째 고조파 피크를 사용하여 후속 두께 계산을 위한 강철 내 음속을 5720 m/s로 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공기 결합 초음파를 사용하여 투과 방식으로 스테인리스 강판에서 두께 차이 0.2 mm를 구분할 수 있는가?
• RQ2 왜 첫 번째 고조파 공진 주파수는 명목상 두께보다 약 7% 높은 값을 산출하며 평면파 모델에서 벗어나는가?
• RQ3 약 460 kHz 부근에서 관측된 세 번째 피크는 무엇으로 인해 발생하는가? 그리고 이는 종파 모드의 고조파와 관련이 있을 수 있는가?
• RQ4 유한한 투과기 압력면 효과가 공기 결합 초음파 시스템에서 공진 주파수 측정에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 횡파 모드 및 평면파가 아닌 효과를 고려할 경우 두께 측정 정확도가 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 10.0 mm, 9.8 mm, 9.6 mm 영역 간 두께 차이 0.2 mm(2%)가 전송 스펙트럼에서 명확히 구분되었다.
• 두 번째 고조파 공진(약 570–590 kHz)은 명목상 값과 약 1% 이내의 두께 추정치를 제공하여 유체층 모델과 양호한 일치를 보였다.
• 첫 번째 고조파 공진(약 270 kHz)은 명목상 두께보다 약 7% 높은 두께 추정치를 산출하였으며, 이는 유한한 투과기 압력면으로 인한 비평면파 효과로 기인한다.
• 약 460 kHz 부근의 세 번째 피크는 종파 모드 모델로는 설명되지 않았지만, 횡파 고조파일 가능성이 있으며, 각 영역 A, B, C에 대해 각각 10.16 mm, 9.93 mm, 9.84 mm의 추정 두께를 제공한다.
• 영역 A에서 두 번째 고조파를 사용하여 강철 판 내 음속을 5720 m/s로 추정하였으며, 이는 모든 영역에서 일관된 두께 계산을 가능하게 하였다.
• 이 방법은 단일 측면 비접촉 두께 측정에 가능성을 보였으며, 횡파 모드 및 압력면 보정 모델을 통합함으로써 정확도 향상 가능성이 있다.