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KR102204747B1 - 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법 - Google Patents

탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법 Download PDF

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KR102204747B1
KR102204747B1 KR1020190081963A KR20190081963A KR102204747B1 KR 102204747 B1 KR102204747 B1 KR 102204747B1 KR 1020190081963 A KR1020190081963 A KR 1020190081963A KR 20190081963 A KR20190081963 A KR 20190081963A KR 102204747 B1 KR102204747 B1 KR 102204747B1
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sensor
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박재민
김창식
조진연
박정선
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한국항공우주산업 주식회사
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Abstract

본 발명은 은 종래의 방식보다 정확하게 복합재상의 손상부분의 위치를 예측할 수 있는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법에 관한 것으로, a) 복합재에 설치된 가진부에서 탄성파인 입력신호를 발생시켜 상기 복합재를 따라 전파되게 하고, 복합재에 설치된 센서에서 상기 복합재를 따라 전파되는 신호를 측정하는 단계; b) 상기 센서에서 측정된 측정신호에서 상기 입력신호를 이용해 잡음신호의 크기를 추정한 후, 상기 측정신호에서 상기 잡음신호가 제거된 보정신호를 계산하는 단계; c) 상기 보정신호에 포함된 신호들을 분리하고, 상기 보정신호에 포함된 신호들 중, 상기 가진부에서 상기 센서로 가장 먼저 도착한 제1신호를 판별하는 단계; d) 상기 가진부와 상기 센서의 간격과 상기 제1신호가 도달하기까지의 시간을 이용해 상기 입력신호의 속도를 계산하는 단계; 및 e) 상기 보정신호와 상기 복합재에 손상이 없을 경우의 신호를 이용해 손상 전후 차이 신호를 계산하고, 상기 손상 전후 차이 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법{Damage detection method using lamb wave signal energy}
본 발명은 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법에 관한 것으로써, 보다 상세히는 항공기의 손상 탐지에 사용될 수 있는 손상 탐지 방법에 관한 것이다.
운용중인 항공기는 공력, 항력, 중력 및 다양한 하중을 받으며 운항하고, 이러한 하중으로 인해 항공기를 구성하는 각종 구조물들에 손상이 발생할 수 있다. 이러한 항공기의 손상에 대비하기 위해, 항공기의 주기적인 검사에 대한 각종 세부 규정이 있다. G. Anderson의 논문인 "Providing best value IVHM solution for aging aircraft"에 의하면, 항공기의 유지/보수에 소용되는 비용 중 검사와 관련된 비용은 49%를 차지하고, 항공기의 유지/보수에 필요한 인력 역시 35%를 차지하고 있어, 보다 간소화되고, 항공기의 손상 검출 효율을 향상시킬 수 있으며, 유지/보수비용을 절감할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
항공기의 주기적인 검사 방법 중 하나로 비파괴검사가 있을 수 있으며, 비파괴검사의 대표적인 예로써 방사선 투과검사(X-ray), 초음파 탐상검사 및 와전류 탐상검사 등이 있다. 최근에는 복합재에 적용할 수 있고, 앞서 일예로 설명한 비파괴 검사 방법들보다 상대적으로 비용과 검사시간이 적고 검사 효율을 높일 수 있는 유도 초음파(탄성파)를 이용한 검사 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
유도 초음파란 보, 파이프, 평판 등과 같이 경계 면으로 싸여 있는 구조물 매체를 따라서 전파되는 탄성파를 말하는 것으로, 평판에 전달되는 유도 초음파는 탄성파(lamb wave)이다. 탄성파를 이용한 비파괴검사 방법은 아래 수식 1과 같이 sine과 cosine의 조합으로 이루어진 정현파 신호를 입력 신호로 사용하며, 탄성파는 버스트 웨이브(burst wave)의 형태를 가지고 있다.
[수식 1]
Figure 112019069595929-pat00001
(여기서 A는 탄성파, w는 중심 주파수, n은 버스트 웨이브의 주기)
도 1은 n이 5일 때, 즉 버스트 웨이브의 주기가 5일 때 수식 1로 결정되는 탄성파이다. n값은 측정하고자 하는 대상(예를 들어 복합재)과 측정하고자 하는 손상 유형에 따라 달리 선택될 수 있으며, n값에 따라 도 1에 도시된 탄성파의 형상이 달라진다. 입력신호로서의 탄성파는 피에조 일렉트릭 액추에이터(Piezo-electric actuator)를 통해 생성되어 복합재상에 전파되고, 복합재상에 위치한 피에조 일렉트릭 센서(Piezo-electric sensor)로 수집된다.
도 2는 복합재상에 설치된 액추에이터(10)와 센서(11), 그리고 복합재에 손상된 부분(이하 손상위치(12))을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3a는 복합재에 손상위치(12)가 없을 때, 센서(11)에서 측정되는 신호의 파형을 도시한 것이고, 도 3b는 복합재에 손상위치(12)가 있을 때, 센서(11)에서 측정되는 신호의 파형을 도시한 것이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 복합재에 손상이 없을 경우, 센서(11)에서는 하나의 신호가 측정되며, 해당 신호인 제1신호(S1)는 도 2의 액추에이터(10)에서 센서(11)로 직접 전달되는 신호이다. 이에 반해, 도 3b에 도시된 바와 같이, 복합재에 손상이 있을 경우, 센서(11)에서는 두 개의 신호가 순차적으로 측정된다. 제1신호(S1)는 상술한 바와 같이 도 2의 액추에이터(10)에서 센서(11)로 직접 전달되는 신호이고, 제1신호(S1)보다 나중에 측정되는 제2신호(S2)는 액추에이터(10)에서 손상위치(12)를 거쳐 센서(11)로 전달되는 신호이다. 제1신호(S1)와 제2신호(S2)가 측정되는 시각이 서로 다른 이유는, 액추에이터(10)에서 입력되는 탄성파의 전달속도는 일정하되, 도 2에 도시된 액추에이터(10)와 센서(11) 사이의 거리와 액추에이터(10), 손상위치(12) 및 센서(11)를 통과하는 거리가 서로 다르기 때문이다. 제2신호(S2)는 손상위치(12)를 통해 센서(11)로 이동하기 때문에, 제1신호(S1)에 비해 진폭이 변화한다.
도 3b에 도시된 제1신호(S1)와 제2신호(S2)를 통해 액추에이터(10) 및 센서(11)에서 손상위치(12)를 계산할 수 있다. 보다 구체적으로, 액추에이터(10)와 센서(11) 사이의 거리는 알고 있으므로, 액추에이터(10)에서 탄성파를 입력한 후, 센서(11)에서 제1신호(S1)를 측정할 때까지의 시간을 통해 탄성파의 속도를 구할 수 있고, 탄성파의 속도와 액추에이터(10)에서 탄성파를 입력한 후, 센서(11)에서 제2신호(S2)를 측정할 때까지의 시간을 곱해 액추에이터(10)-손상위치(12)-센서(11) 사이의 거리 d1을 구할 수 있다. 따라서 손상위치(12)가 있을 수 있는 후보위치는 액추에이터(10)와 센서(11)를 정점으로 거리의 합이 d1인 지점인 타원으로 나타낼 수 있으며, 도 2에 도시된 센서(11)와 다른 위치 적어도 두 개 이상의 센서에서 상술한 과정을 반복하여, 적어도 세 개 이상의 타원을 구해 해당 타원들의 교점을 손상위치(12)로 계산할 수 있다.
한편, 손상 탐지를 위해 사용되는 탄성파는 중심 주파수에 따라 전파 속도가 변하는 멀티 모드 특성 및 복합재상에 전파해 가는 동안 형상이 변화하는 이산 특성을 가진다. 또한, 탄성파가 평판형상의 복합재상에 전파될 경우 탄성파는 평판의 중심을 기준으로 상하의 움직임이 대칭을 이루는 Symmetric Mode(이하 S모드)와 비대칭을 이루는 Anti-Symmetric Mode(이하 A모드)로 이루어진다. 탄성파는 가진되는 중심 주파수에 따라, S모드와 A모드가 여러 형태로 중첩되어 나타날 수 있으며, 이러한 탄성파의 특성으로 인하여 평판형의 복합재에서 획득된 신호는 이산특성으로 인해 분화된 신호의 조합과 반사된 신호의 조합 그리고 S모드와 A모드가 조합된 다양한 신호의 합으로 측정되며, 이에 더해 외부 잡음(White-noise) 성분 또한 함께 측정될 수 있다. 도 4a는 액추에이터(10)에서 입력되는 탄성파를, 도 4b는 상술한 바와 같은 다양한 신호가 혼합되어 센서(11)에서 측정되는 신호의 예를 도시한 것으로, 도 4b에 도시된 바와 같이 센서(11)에서는 다양한 신호가 혼합되어 측정되기 때문에, 측정되는 신호 중 손상위치(12)에 따른 손상신호 또는 손상정보를 추출하는 방법이 중요하다.
종래 센서(11)에서 측정되는 신호 중 잡음 성분을 줄이기 위해 1979년에 Spectral Subtraction 방법이 음성 신호 처리에서 제안되었으며, 이 방법은 센서(11)에서 측정된 신호 x(t)에서 잡음 성분의 신호 v(t)를 추정하고, 주파수 영역에서 추정된 잡음 신호의 에너지를 제거함으로써 센서(11)에서 측정되는 신호 중, 입력된 탄성파에 의한 신호 s(t)를 추정하는 방법이다. 이와 같은 방법은 잡음의 에너지를 줄여, 잡음의 크기를 감소시키는 방법이며, 이러한 방법은 도 5와 같이 도시할 수 있다.
도 5에 도시된 종래의 방법을 사용하기 위해서는, 잡음 신호 v(t)의 에너지 크기를 추정해야 한다. 그러나 손상 탐지를 위해 측정되는 신호 중 잡음 신호의 크기는 대상물의 형태와 센서의 부착 상태에 따라 달라질 수 있으며, 잡음 신호의 에너지 크기를 추정하는 방법은 현실적으로 한계가 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2009-0012818호("비파괴 검사장치", 공개일 2009.02.04.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법의 목적은 종래의 방식보다 정확하게 복합재상의 손상부분의 위치를 예측할 수 있는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법은 a) 복합재에 설치된 가진부에서 탄성파인 입력신호를 발생시켜 상기 복합재를 따라 전파되게 하고, 복합재에 설치된 센서에서 상기 복합재를 따라 전파되는 신호를 측정하는 단계; b) 상기 센서에서 측정된 측정신호에서 상기 입력신호를 이용해 잡음신호의 크기를 추정한 후, 상기 측정신호에서 상기 잡음신호가 제거된 보정신호를 계산하는 단계; c) 상기 보정신호에 포함된 신호들을 분리하고, 상기 보정신호에 포함된 신호들 중, 상기 가진부에서 상기 센서로 가장 먼저 도착한 제1신호를 판별하는 단계; d) 상기 가진부와 상기 센서의 간격과 상기 제1신호가 도달하기까지의 시간을 이용해 상기 입력신호의 속도를 계산하는 단계; 및 e) 상기 보정신호와 상기 복합재에 손상이 없을 경우의 신호를 이용해 손상 전후 차이 신호를 계산하고, 상기 손상 전후 차이 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 b) 단계는, b-1) 아래 수식 5를 이용해 상기 잡음신호의 크기를 추정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수식 5]
Figure 112019069595929-pat00002
(
Figure 112019069595929-pat00003
는 추정된 상기 잡음신호의 크기,
Figure 112019069595929-pat00004
는 상기 측정신호의 에너지 크기,
Figure 112019069595929-pat00005
는 상기 입력신호의 에너지 크기)
또한, 상기 b) 단계는, b-2) 상기 b-1) 단계 이후에 수행되며, 아래 수식 6을 이용해 시간영역에서의 상기 보정신호를 계산하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수식 6]
Figure 112019069595929-pat00006
(상기
Figure 112019069595929-pat00007
는 상기 측정신호를 STFT(Short Time Fourier Transform)한 신호, 상기
Figure 112019069595929-pat00008
는 주파수 영역에서의 상기 보정신호,
Figure 112019069595929-pat00009
는 상기
Figure 112019069595929-pat00010
을 inverse STFT한 시간영역에서의 보정신호)
또한, 상기 b) 단계는, b-3) 상기 b-2) 단계 이후에 수행되고, 상기 수식 5의
Figure 112019069595929-pat00011
을 상기 수식 6을 통해 구해진
Figure 112019069595929-pat00012
로 대체하여 상기 보정신호에 포함된 잡음신호의 크기를 추정하고, 상기 보정신호의 크기 대비 상기 보정신호에 포함된 잡음신호의 크기가 기준치 이상일 경우, 상기 수식 6의
Figure 112019069595929-pat00013
을 상기
Figure 112019069595929-pat00014
로 대체하여 잡음신호의 크기가 줄어든 보정신호를 생성하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 b-3) 단계는 생성된 보정신호 내에 포함된 잡음신호의 크기가 기준치 이하가 될 때 까지 반복 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 c) 단계는 c-1) 아래 수식 7을 이용해 상기 보정신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호를 분리해, 분리된 신호를 상기 제1신호로 판별하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수식 7]
Figure 112019069595929-pat00015
(r(t)은 보정신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호,
Figure 112019069595929-pat00016
는 시간영역에서의 보정신호를 STFT한 신호,
Figure 112019069595929-pat00017
는 입력신호)
또한, 상기 e) 단계는, 아래 수식 7을 이용해 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 신호 중 하나를 분리하고, 분리된 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.
[수식 7]
Figure 112019069595929-pat00018
(r(t)은 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호,
Figure 112019069595929-pat00019
는 시간영역에서의 상기 손상 전후 차이 신호를 STFT한 신호,
Figure 112019069595929-pat00020
는 입력신호)
또한, 상기 e) 단계는 반복 수행되어 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 소정 개수의 신호를 분리하고, 상기 e) 단계가 반복 수행될 때, 상기 수식 7에서 상기
Figure 112019069595929-pat00021
신호는 이전에 수행된 e) 단계의
Figure 112019069595929-pat00022
신호에서 이전에 수행된 e) 단계에서 분리된 신호를 뺀 신호인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 e) 단계는 반복 수행되어 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 소정 개수의 신호를 분리하여, 손상위치의 영역을 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합재에 설치된 센서는 복수개인 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법에 의하면, b) 단계에서 미리 알 수 있는 입력신호의 에너지 크기를 이용하여 잡음신호의 크기를 추정하여 측정신호에서 보정신호를 제거하기 때문에, 종래 부정확한 측정신호의 크기를 추정하여 측정신호에서 잡음신호를 제거하는 방식보다 정확한 신호를 얻을 수 있어, 복합재의 손상부분의 위치를 보다 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 수식 7을 이용하여 측정신호에서 제1신호를 분리하므로, 보다 정확하게 제1신호를 분리할 수 있어 복합재의 손상부분의 위치를 보다 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 sine과 cosine의 조합으로 이루어지는 탄성파의 파형.
도 2는 복합재상에 설치된 액추에이터, 센서, 손상위치의 개략도.
도 3은 복합재에 손상위치의 유무에 따른 탄성파 신호의 변화의 파형.
도 4는 입력신호 및 탄성파의 특성에 따라 다수개의 신호가 조합되어 측정되는 측정신호의 일예.
도 5는 종래 측정신호에서 잡음신호의 에너지 크기를 추정하여 노이즈를 제거하는 방식의 개략도.
도 6은 복합재에 설치된 가진부와 센서들의 개략도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법의 b) 단계에서 잡음신호의 크기를 추정하는 방법의 개략도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법의 c) 단계에서 제1신호를 분리한 개략도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법에서 사용되는 손상 전후 차이 신호의 파형.
도 10은 손상 전후 차이 신호의 확대 파형 및 분리신호의 파형.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법은 순차적으로 수행되는 a) 단계, b) 단계, c) 단계, d) 단계 및 e) 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 배경기술에서도 설명했듯 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법은 복합재의 일부분이 손상되었을 때, 손상된 부분의 위치를 파악하기 위해 안출된 것으로, 복합재에 설치된 가진부와 센서를 이용할 수 있다. 복합재에 설치된 가진부는 특정 중심주파수를 가지는 탄성파를 생성하여 복합재를 따라 전파되도록 할 수 있으며, 가진부에 의해 생성된 탄성파는 배경기술에서 설명한 것과 같이 주기가 n인 버스트 웨이브(burst wave) 형태이다.
도 6은 복합재(100)에 설치된 가진부(200)와 센서들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법을 적용하기 위해서는 하나의 복합재(100)에 가진부(200)와 복수개의 센서들이 설치되어 있다. 보다 상세히, 도 6에 도시된 바와 같이 복합재(100)의 표면상에는 제1센서(310), 제2센서(320) 및 제3센서(330)가 설치되어 있는데, 이는 적어도 세 개 이상의 센서에서 신호를 측정해야 손상부분의 정확한 위치를 파악할 수 있기 때문이며, 이에 관해서는 후술한다.
a) 단계는 복합재(100)에 설치된 가진부(200)에서 탄성파인 입력신호를 발생시켜, 상기 입력신호가 복합재(100)를 따라 전파되게 한다. 복합재(100)에서 전파된 입력신호는 도 6에 도시된 바와 같이 각각의 센서들에 집적 전달되거나, 복합재(100)의 손상부분(110)을 거쳐 각각의 센서들에 전달될 수 있으며, 센서는 복합재를 통해 전달되는 신호를 측정할 수 있다.
b) 단계는 센서들 각각에서 측정된 측정신호에서 잡음신호가 제거된 보정신호를 계산한다. 보다 구체적으로, 가진부(200)에서 발생한 입력신호는 복합재(100)를 따라 진행하면서 진폭 또는 주파수가 변화할 수 있으며, 외란에 의한 잡음신호(white-noise)가 포함될 수 있다. 입력신호에 잡음신호가 포함될 경우, 정확한 본래 입력신호에 의한 측정신호의 분산(variance)을 증가시키며, 이는 정확한 손상부분(110)의 위치를 파악하지 못하는 요인이 될 수 있으며, 측정신호에서 잡음신호를 제거하는 것이 중요하다.
본 실시예의 b) 단계는 상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 입력신호를 이용해 잡음신호의 크기를 추정한 후, 잡음신호를 측정신호에서 제거하며, b-1) 단계, b-2) 단계 및 b-3) 단계를 포함할 수 있다.
센서에서 측정된 측정신호인
Figure 112019069595929-pat00023
은 잡음이 없는 탄성파의 성분
Figure 112019069595929-pat00024
와 잡음성분
Figure 112019069595929-pat00025
의 구성으로 표현할 수 있으며, 이는 아래와 수식 2와 같다.
[수식 2]
Figure 112019069595929-pat00026
수식 2는 하기 수식 3과 같이 STFT(Short Time Fourier Transform)로 표현 가능하다.
[수식 3]
Figure 112019069595929-pat00027
또한, 상기한 수식은 이산화된 형태의 다음 수식 4로 표현 가능하다.
[수식 4]
Figure 112019069595929-pat00028
본 실시예에서 신호를 STFT를 할 때 창함수(window function)는 Hann window function을 사용하였다.
b-1) 단계는 아래 수식 5를 이용해, 센서에서 측정된 측정신호에 포함된 잡음신호의 크기를 추정한다.
[수식 5]
Figure 112019069595929-pat00029
(
Figure 112019069595929-pat00030
는 추정된 상기 잡음신호의 크기,
Figure 112019069595929-pat00031
는 상기 측정신호의 에너지 크기,
Figure 112019069595929-pat00032
는 상기 입력신호의 에너지 크기)
상기 수식을 포함하여, 이하 다른 수식에서 대문자는 주파수영역에서의 신호를 말하며, 소문자는 시간영역에서의 신호를 말한다. 즉, 본 실시예는 수식 5 사용하기 위해 센서에서 측정되는 시간영역에서의 측정신호인
Figure 112019069595929-pat00033
을 수식 4를 이용해 STFT해서 주파수 영역에서의 신호인
Figure 112019069595929-pat00034
을 구하고, 가진부(100)에서 버스트 웨이브 형태의 탄성파로 생성되는 입력신호인
Figure 112019069595929-pat00035
을 마찬가지로 STFT하여
Figure 112019069595929-pat00036
을 구한다. 수식 5에서 사용되는 p값과
Figure 112019069595929-pat00037
값은 복합재의 재질에 따라 달리 결정되는 값이다.
이 과정에서 입력신호인
Figure 112019069595929-pat00038
의 길이와 측정신호인
Figure 112019069595929-pat00039
의 길이는 서로 다르므로, 수식 4의 STFT와 수식 5를 이용하여 입력신호와 측정신호 각각의 에너지를 계산하였으며, STFT의 창함수의 크기는 입력신호의 크기와 동일하게 설정하였다. 여기서 STFT의 창함수의 크기를 입력신호의 크기와 동일하게 설정한다는 뜻은, 시간영역에서의 신호의 길이를 동일하게 한다는 의미이다. 상기한 수식 4 및 수식 5를 이용하여 잡음신호의 에너지 크기를 추정하는 과정은 도 7에 개략적으로 도시되어 있다.
b-2) 단계는 상기 b-1) 단계 이후에 수행되며, 아래 수식 6을 이용해 시간영역에서의 상기 보정신호를 계산한다.
[수식 6]
Figure 112019069595929-pat00040
(
Figure 112019069595929-pat00041
는 주파수 영역에서의 상기 보정신호,
Figure 112019069595929-pat00042
는 상기
Figure 112019069595929-pat00043
을 inverse STFT한 시간영역에서의 보정신호)
b-3) 단계는 상기한 b-1) 단계 및 b-2) 단계를 통해 구해진
Figure 112019069595929-pat00044
에 포함된 보정신호의 비율이 기준치 이상일 경우, b-1) 단계와 b-2) 단계를 반복 수행하는 단계이다. 즉, b-1) 단계와 b-2) 단계가 한 번 수행되었을 때 계산되는
Figure 112019069595929-pat00045
로 수식 5의
Figure 112019069595929-pat00046
을 대체한 후,
Figure 112019069595929-pat00047
에 포함되는 잡음신호의 크기가 기준치 이상일 경우, b-1) 단계 및 b-2) 단계를 반복 수행할 수 있으며, b-2) 단계가 반복 수행될 때, 수식 6에서
Figure 112019069595929-pat00048
는
Figure 112019069595929-pat00049
로 대체될 수 있다.
c) 단계는 상기 보정신호에 포함된 신호들을 분리하고, 상기 보정신호에 포함된 신호들 중, 상기 가진부에서 상기 센서로 가장 먼저 도착한 제1신호를 판별하고, d) 단계는 가진부(100)와 센서들 사이의 간격, 그리고 가진부(100)에서 입력신호가 생성된 후, 보정신호의 제1신호가 도달하기까지의 시간을 이용해 입력신호의 속도를 계산하며, e) 단계는 보정신호와 상기 복합재에 손상이 없을 경우의 신호를 이용해 손상 전후 차이 신호를 계산하고, 상기 손상 전후 차이 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정한다. 상술한 c) 단계와 e) 단계의 개략적인 동작은 종래 배경기술에서 설명한 것과 동일하며, 이하 c) 단계 및 d) 단계에서 신호를 분리하는 과정에 관하여 상세히 설명한다.
c) 단계는 상술한 바와 같은 동작을 위해, c-1) 단계를 포함할 수 있다.
c-1) 단계는 아래 수식 7을 이용해 상기 보정신호에 포함된 신호 중 신호의 에너지가 입력신호와 가장 유사한 신호를 분리하고, 분리된 신호를 제1신호로 판별한다.
[수식 7]
Figure 112019069595929-pat00050
(r(t)은 보정신호에 포함된 신호 중 입력신호와 에너지 크기가 가장 유사한 신호,
Figure 112019069595929-pat00051
는 시간영역에서의 보정신호를 STFT한 신호)
상술한 수식 7에서 입력신호와 에너지 크기가 가장 유사한 제1신호를 판별하는 이유는, 가진부(100)에서 센서로 가장 먼저 도달한 제1신호의 경우, 다른 경로(가진부-센서-센서 또는 가진부-손상부분-센서)로 도달한 신호들보다 진폭의 감쇠가 가장 적게 일어나기 때문이다. r(t)은 R을 인버스 STFT한 시간영역에서의 신호로, 수식 7에서는 Inverse FFT라고 기재되어 있지만, 이는 인버스 STFT와 같은 의미이며, 수식 7에서 사용되는 p값과
Figure 112019069595929-pat00052
값은 복합재의 재질에 따라 달리 결정되는 값이다.
도 8은 가진부(100)에서 생성한 입력신호와, 센서에서 측정한 측정신호를 개략적으로 도시하고, 측정신호에서 제1신호를 분리한 것을 도시한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 센서에서 측정된 측정신호에는 가진부(100)에서 입력신호를 생성한 시점에 입력신호와 동일한 파형의 신호가 포함되어 있다. 이는 전자기 간섭 현상(EMI, Electro Magnetic Interference)로 발생한 잡음성분으로, c-1) 단계는 상기한 수식 7을 적용하기 이전에, 보정신호에서 입력신호를 뺀 신호를
Figure 112019069595929-pat00053
로 하여 수식 7을 적용할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 가진부(100)에서 입력신호가 가진된 이후 제1신호(S1)는 소정 시간이 지난 후, 가장 먼저 센서에서 측정되며, d) 단계는 제1신호(S1)가 측정되기까지의 시간과, 미리 알고 있는 가진부(100)와 특정 센서간의 거리를 통해, 입력신호가 전달되는 속도를 계산한다.
도 9는 손상부분의 유무만 다르고, 다른 조건이 동일한 센서에서 측정된 각각의 신호와 신호의 차이를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 9a는 복합재에 손상부분이 없을 때, 센서에서 측정된 측정신호이고, 도 9b는 복합재에 손상부분이 있을 때 동일한 센서에서 측정된 신호이며, 도 9c는 도 9a와 도 9b에 도시된 신호의 차, 즉 손상 전후 차이 신호를 도시한 것이다.
도 9c에 도시된 신호는 복합재에 손상된 부분이 있음으로써 변형된 신호이므로, 입력신호가 가진부(100)와 손상부분을 통해 센서로 이동한 신호임을 알 수 있으므로, 도 9c에 도시된 신호가 도달한 시간을 이용해 가진부(100)-손상부분-센서의 거리를 알 수 있다.
도 10은 도 9c에 도시된 손상 전후 차이 신호를 확대 도시한 후, 손상 전후 차이 신호를 다수개의 신호로 분리한 것이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 손상 전후 차이 신호는 다수개의 신호가 조합된 형태의 신호인데, 이는 손상부분(110)이 점이 아니라, 일정 영역에 걸쳐서 형성되기 때문이다. 따라서, 도 10에서 분리된 다수개의 신호 각각이 도달한 시간과 d) 단계에서 구한 입력신호의 속도를 이용하면, 도 10에 도시된 바와 같이 가진부(100)-손상부분(110)의 주변 중 일부위치-센서간의 거리를 구할 수 있고, 가진부(100)와 센서를 중심으로 하는 타원을 그려 손상부분(110)의 영역을 추정할 수 있다.
e) 단계에서 가진부와 다수개의 센서를 이용하여 손상부분의 위치를 추정하는 방식은 가진부-제1센서, 가진부-제2센서, 가진부-제3센서 각각에서 추정된 가진부-손상부분-센서의 거리를 이용해, 가진부와 센서를 중심으로하는 타원을 그리고, 세 개의 타원이 겹쳐지는 부분을 손상부분으로 추정하는 방식으로, 배경기술에서 설명한 종래의 방식과 동일하다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
S1 : 제1신호
S2 : 제2신호
10 : 액추에이터
11 : 센서
12 : 손상위치
100 : 복합재
110 : 손상부분
200 : 가진부
310 : 제1센서
320 : 제2센서
330 : 제3센서

Claims (10)

  1. a) 복합재에 설치된 가진부에서 탄성파인 입력신호를 발생시켜 상기 복합재를 따라 전파되게 하고, 복합재에 설치된 센서에서 상기 복합재를 따라 전파되는 신호를 측정하는 단계;
    b) 상기 센서에서 측정된 측정신호에서 상기 입력신호를 이용해 잡음신호의 크기를 추정한 후, 상기 측정신호에서 상기 잡음신호가 제거된 보정신호를 계산하는 단계;
    c) 상기 보정신호에 포함된 신호들을 분리하고, 상기 보정신호에 포함된 신호들 중, 상기 가진부에서 상기 센서로 가장 먼저 도착한 제1신호를 판별하는 단계;
    d) 상기 가진부와 상기 센서의 간격과 상기 제1신호가 도달하기까지의 시간을 이용해 상기 입력신호의 속도를 계산하는 단계; 및
    e) 상기 보정신호와 상기 복합재에 손상이 없을 경우의 신호를 이용해 손상 전후 차이 신호를 계산하고, 상기 손상 전후 차이 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 b) 단계는,
    b-1) 아래 수식 5를 이용해 상기 잡음신호의 크기를 추정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
    [수식 5]
    Figure 112020092245121-pat00085

    (
    Figure 112020092245121-pat00086
    는 추정된 상기 잡음신호의 크기,
    Figure 112020092245121-pat00087
    는 상기 측정신호의 에너지 크기,
    Figure 112020092245121-pat00088
    는 상기 입력신호의 에너지 크기)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    b-2) 상기 b-1) 단계 이후에 수행되며, 아래 수식 6을 이용해 시간영역에서의 상기 보정신호를 계산하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
    [수식 6]
    Figure 112020092245121-pat00058

    (상기
    Figure 112020092245121-pat00059
    는 상기 측정신호를 STFT(Short Time Fourier Transform)한 신호, 상기
    Figure 112020092245121-pat00060
    는 주파수 영역에서의 상기 보정신호,
    Figure 112020092245121-pat00061
    는 상기
    Figure 112020092245121-pat00062
    을 inverse STFT한 시간영역에서의 보정신호)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    b-3) 상기 b-2) 단계 이후에 수행되고, 상기 수식 5의
    Figure 112019069595929-pat00063
    을 상기 수식 6을 통해 구해진
    Figure 112019069595929-pat00064
    로 대체하여 상기 보정신호에 포함된 잡음신호의 크기를 추정하고, 상기 보정신호의 크기 대비 상기 보정신호에 포함된 잡음신호의 크기가 기준치 이상일 경우, 상기 수식 6의
    Figure 112019069595929-pat00065
    을 상기
    Figure 112019069595929-pat00066
    로 대체하여 잡음신호의 크기가 줄어든 보정신호를 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 b-3) 단계는 생성된 보정신호 내에 포함된 잡음신호의 크기가 기준치 이하가 될 때 까지 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계는
    c-1) 아래 수식 7을 이용해 상기 보정신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호를 분리해, 분리된 신호를 상기 제1신호로 판별하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
    [수식 7]
    Figure 112019069595929-pat00067

    (r(t)은 보정신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호,
    Figure 112019069595929-pat00068
    는 시간영역에서의 보정신호를 STFT한 신호,
    Figure 112019069595929-pat00069
    는 입력신호)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 e) 단계는, 아래 수식 7을 이용해 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 신호 중 하나를 분리하고, 분리된 신호가 도달한 시간과 상기 d) 단계에서 계산된 상기 입력신호의 속도를 이용해 상기 복합재의 손상위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
    [수식 7]
    Figure 112019069595929-pat00070

    (r(t)은 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 신호 중 에너지가 가장 큰 신호,
    Figure 112019069595929-pat00071
    는 시간영역에서의 상기 손상 전후 차이 신호를 STFT한 신호,
    Figure 112019069595929-pat00072
    는 입력신호)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 e) 단계는 반복 수행되어 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 소정 개수의 신호를 분리하고,
    상기 e) 단계가 반복 수행될 때, 상기 수식 7에서 상기
    Figure 112019069595929-pat00073
    신호는 이전에 수행된 e) 단계의
    Figure 112019069595929-pat00074
    신호에서 이전에 수행된 e) 단계에서 분리된 신호를 뺀 신호인 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 e) 단계는 반복 수행되어 상기 손상 전후 차이 신호에 포함된 소정 개수의 신호를 분리하여, 손상위치의 영역을 추정하는 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복합재에 설치된 센서는 복수개인 것을 특징으로 하는 탄성파의 신호 에너지를 이용한 손상 탐지 방법.
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