전방향 전단 탄성파 구현을 위한 평판용 초음파 트랜스듀서

Abstract

This dissertation is concerned with the development and characterization of new ultrasonic guided wave transducers that generate and measure omnidirectional shear-horizontal elastic waves in plate structures. Because all of the previous researches focused on the development of omnidirectional guided wave transducers have been limited to use Lamb wave only, by using the developed transducers in this work, not only the disadvantages of using Lamb waves are overcome but more effective inspection of plates is possible. To this end, two types of omnidirectional shear-horizontal wave transducers, a magnetostrictive patch transducer and an electromagnetic acoustic transducer, are newly developed and investigated.

First, an omnidirectional shear-horizontal wave magnetostrictive patch transducer is developed. The performances and characteristics of the transducer are investigated through simulations and experiments. Moreover, the effect of magnetic flux leakage on the poor performance of the transducer installed on a ferromagnetic pate is studied. To resolve the leakage issue, a method to optimally configure the transducer is proposed. By doing so, the possibility of practical applications using the transducer is shown.

An electromagnetic acoustic transducer for the noncontact transduction of omnidirectional shear-horizontal waves in metallic plates is also developed. Because the transducer is easily installed on plates without any bonding material, more accurate, efficient and various applications are possible. In order to check the effectiveness of the transducer, numerical analysis and experiments are carried out. By successfully evaluating the transducer performances, the usefulness of the transducer is confirmed.

본 논문은 평판구조물에서 설치되어 모든 방향으로 전단 탄성파를 고르게 발생 및 측정할 수 있는 초음파 트랜스듀서의 최초 개발과 그 응용을 다루었다. 기존의 전방향 유도초음파 트랜스듀서 개발에 관한 연구들은 모두 램파를 사용하는 것에 국한되었기에 본 연구에서 개발된 전방향 전단파 트랜스듀서들을 이용하면 램파의 단점들을 극복할 수 있을 뿐 아니라 보다 효과적인 평판구조물 검사가 가능할 것으로 기대된다. 따라서, 자기변형 원리와 전자기 음향 현상을 이용한 두 가지 종류의 전방향 전단파 트랜스듀서들을 각각 새롭게 개발하고 그 특성을 파악하는 연구를 수행하였다.

먼저 전방향 전단파 자기변형 패치 트랜스듀서를 개발하였고 해석과 실험을 통하여 개발된 트랜스듀서의 성능과 특성을 검증하였다. 더 나아가 트랜스듀서가 강자성체 평판에 설치되었을 때 발생하는 자속 누설이 트랜스듀서 성능 저하에 끼치는 연구를 수행하였다. 자속누설로 인한 문제를 해결하기 위해 트랜스듀서를 최적으로 구성하는 방법도 제시하였다. 이를 통해 더욱 실질적인 평판구조물의 검사에 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다.

더불어, 평판구조물에 직접적으로 부착하지 않고 전방향으로 전단파를 발생 및 측정할 수 있는 전자기 음향 트랜스듀서를 개발하였다. 개발된 트랜스듀서는 비접촉식으로 구조물에 쉽게 설치되기 때문에 보다 정확하고 효율적이며 다양한 평판 검사에 적용이 가능하다. 트랜스듀서의 유효성을 확인하고자 수치적 해석과 실험을 수행하였다. 이를 통해 성공적으로 트랜스듀서의 성능을 그 유용성을 입증하였다.