FEM 시뮬레이션을 이용한 FZP 집속 빔 생성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

고체 재료의 비선형 파라미터 측정에서 펄스-에코법으로 단일 평면형 탐촉자를 사용하는 경우 응력 자유 경계면에서 반사 전, 후에 생성된 제2고조파는 위상 차에 의해 서로 상쇄되어 측정이 어렵다. 그러나, 집속 빔을 이용하면 제2고조파의 진폭을 증가 시킬 수 있음이 이전의 연구에서 보고된 바 있다. 본 논문에서는 펄스-에코 모드에서 비선형 파라미터 측정을 위해 고체 시편 내부에 집속 빔을 생성하기 위한 연구를 수행하였다. 프레넬 존 플레이트 원리를 이용해 평면을 갖는 고체 시편에 집속 빔을 생성하고 이를 비선형 파라미터 측정에 적용하기 위하여 이론해석 및 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 결과에 따르면 고체 시편 내부에 집속 빔 생성이 가능함을 확인할 수 있었다. 또 집속 위치, 수신 방법 등을 고려하고, 집속 빔의 음장, 수신 신호 파형 등의 분석을 실시하였으며, 이러한 결과로부터 고체의 비선형 파라미터 측정에 집속 빔을 이용할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

When nonlinear parameters of solid samples are measured in the pulse-echo mode using a single planar transducer, destructive second harmonic waves are generated before and after the stress-free reflection boundary owing to their phase differences, which make the nonlinear parameters difficult to measured. Previous studies have reported that the second harmonic wave amplitude can be increased using a focused beam. To measure nonlinear parameters in the pulse-echo setup, simulation studies focused beam generations in solid specimens were performed. The behavior of a focused beam generated by the Fresnel zone plate principle was investigated through theoretical analysis and finite element simulation. The simulation results showed that the focusing beam could be generated inside the solid sample. The focus position and reception method were also considered to examine the waveform behavior, It was found that the focused beam method can be utilized for nonlinear parameter measurements of solids in the pulse-echo method.

목차 (Table of Contents)

• 초록
• Abstract
• 1. 서론
• 2. 비선형 파라미터 β의 정의
• 3. 프레넬 존 플레이트
• 4. 이론해석
• 5. 시뮬레이션
• 6. 결론
• References

참고문헌 (Reference)

1 신효정, "펄스-에코 모드에서 집속 빔을 이용한 제2고조파의 발생 및 수신에 대한 연구" 한국비파괴검사학회 38 (38): 308-315, 2018

2 J. H. Cantrell, "Substructural organization, dislocation plasticity and harmonic generation in cyclically stressed wavy slip metal" 460 (460): 757-780, 2004

3 A. Kumar, "Nonlinear ultrasonics for in situ damage detection during high frequency fatigue" 106 (106): 024904-, 2009

4 L. K. Zarembo, "Nonlinear phenomena in the propagation of elastic waves in solids" 13 (13): 778-797, 1971

5 H. Jeong, "Focused ultrasonic beam behavior at a stress-free boundary and applicability for measuring nonlinear parameter in a reflection mode" AIP Publishing LLC 1806 (1806): 090019-, 2017

6 J. Y. Kim, "Experimental characterization of fatigue damage in a nickel-base superalloy using nonlinear ultrasonic waves" 120 (120): 1266-1273, 2006

7 F. Vander Meulen, "Evaluation of B/A nonlinear parameter using an acoustic self-calibrated pulse-echo method" 92 (92): 214106-, 2008

8 C. Pantea, "Determination of acoustical nonlinear parameter of water using the finite amplitude method" 53 (53): 1012-1019, 2013

9 H. Jeong, "Application of Fresnel Zone Plate Focused Beam to Optimized Sensor Design for Pulse-Echo Harmonic Generation Measurements" 19 (19): 1373-, 2019

10 J. M. Fuster, "Analysis of Fresnel Zone Plates Focusing Dependence on Operating Frequency" 17 (17): 2809-, 2017

11 정현조, "An Efficient and Accurate Method for Calculating Nonlinear Diffraction Beam Fields" 한국비파괴검사학회 36 (36): 102-111, 2016

12 X. Chen, "Amplification Characteristics of Fresnel Zone Plate Acoustic Lens" 3 (3): 15-22, 2017