利用超声波的热化评价及强度估算装置及方法与流程

本发明的实施例涉及利用超声波的热化评价及强度估算装置及利用其的热化评价及强度估算方法。

背景技术：

最近，关于使超声波向被检查体入射并利用透过被检查体的超声波的基本频率成分的振幅和高频成分的振幅计算超声波非线性参数，利用所计算的上述超声波非线性参数来对被检查体的物性变化进行评价的利用超声波非线性参数的评价装置的研究正在积极开展。

但是，若被检查体被热处理，从而发生被检查体的热化，则会生成析出物，接着，析出物在成长及结合之后被消灭，根据上述析出物的生成及消灭，超声波非线性参数会增减。

因此，以往的评价装置很难单一且准确地测定被检查体的热化程度。即，在发生被检查体的热化的情况下，随着析出物的量的增加，超声波非线性参数也会一同增加，以往的评价装置仅根据特定时间点的超声波非线性参数来测定被检查体的热化程度，从而导致热化程度不同且不准确。

另一方面，在固体中，弹性波的传播速度取决于如传播介质的弹性系数、密度及泊松比等的物性。因此，通过测定弹性波的传播速度来计算传播介质的弹性系数，从而可估算传播介质的物性。计算传播介质的弹性系数的方法包括利用属于弹性波的超声波来计算超声波的传播速度，由此计算出线性弹性系数的线性弹性系数测定方法。

但是，线性弹性系数测定方法存在无法评价传播介质的微观特性或弹性性质的微细变化及热化等的缺点。作为解决上述缺点的方法，开展了有关超声波非线性参数和非线性弹性系数的相关关系的理论研究。

上述研究结果，确认了1次超声波非线性参数和三次弹性系数的关系。如上所述，研究了1次超声波非线性参数和三次弹性系数的相关关系，但是对二次以上超声波非线性参数和四次以上弹性系数的关系尚未进行研究。

相关现有技术为韩国公开专利公报第10-2012-0031674(发明名称：非线性评价系统及装置公开日：2012年4月4日)。

技术实现要素：

技术问题

本发明一实施例提供可利用超声波定量评价被检查体的热化，可通过非破坏方式估算被检查体的强度的利用超声波的热化评价及强度估算装置及利用其的热化评价及强度估算方法。

本发明所要解决的问题并不局限于以上提及的问题，本发明所属技术领域的普通技术人员可从以下的记载理解未提及的其他问题。

技术手段

本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算装置包括：超声波发送部，用于使单频超声波信号向被检查体入射；超声波接收部，用于接收透过上述被检查体或从上述被检查体反射的超声波信号；信号处理部，通过借助上述超声波接收部接收的超声波信号的时间间隔计算传播速度，将所接收的上述超声波信号分成基本频率成分和高频成分并计算非线性参数，利用上述传播速度及上述非线性参数测定线性及非线性弹性系数；以及强度估算部，利用上述线性及非线性弹性系数获得拉伸曲线，利用上述拉伸曲线估算拉伸强度及屈服强度中的至少一种。

上述信号处理部可通过对上述超声波发送部和上述超声波接收部进行控制来测定二次非线性参数、三次非线性参数及二次线性弹性系数，并利用上述二次非线性参数、上述三次非线性参数及上述二次线性弹性系数测定三次非线性弹性系数及四次非线性弹性系数，上述强度估算部利用上述二次线性弹性系数、上述三次非线性弹性系数及上述四次非线性弹性系数获得上述拉伸曲线，或者利用上述二次线性弹性系数、上述二次非线性参数及上述三次非线性参数获得上述拉伸曲线。

上述信号处理部可利用上述基准试片和上述被检查体的相对非线性参数之比和上述基准试片的绝对非线性参数来估算上述被检查体的绝对非线性参数，利用上述传播速度及上述绝对非线性参数测定上述线性及非线性弹性系数。

上述相对非线性参数之比可以是通过上述被检查体的相对非线性参数除以上述基准试片的相对非线性参数的运算方法来计算出的。

上述强度估算部可根据上述拉伸强度的最大值估算上述拉伸强度。

上述强度估算部可通过在上述拉伸曲线适用0.2％偏差来估算上述屈服强度。

本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算装置还包括热化评价部，以通过累积上述非线性参数的变化量来计算的累积非线性参数为基础，对上述被检查体的损伤时间点进行评价。

上述信号处理部可获得基于借助上述超声波接收部接收的超声波信号的随时间变化的非线性参数，通过累积上述非线性参数的变化量来计算上述累积非线性参数。

本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算装置包括：超声波发送部，用于使单频超声波信号向被检查体入射；超声波接收部，用于接收透过上述被检查体或从上述被检查体反射的超声波信号；信号处理部，获得基于借助上述超声波接收部接收的超声波信号的随时间变化的非线性参数，通过累积上述非线性参数的变化量来计算上述累积非线性参数；以及热化评价部，以上述非线性参数为基础，对上述被检查体的损伤时间点进行评价。

本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算方法包括如下的步骤：使单频超声波信号向被检查体入射的步骤；接收透过上述被检查体或从上述被检查体反射的超声波信号的步骤；通过所接收的上述超声波信号的时间间隔计算传播速度的步骤；通过将所接收的上述超声波信号分成基本频率成分和高频成分并计算非线性参数的步骤；利用上述传播速度及上述非线性参数来测定线性及非线性弹性系数的步骤；利用上述线性及非线性弹性系数来获得拉伸曲线的步骤；以及利用上述拉伸曲线估算拉伸强度及屈服强度中的至少一种的步骤。

上述计算非线性参数的步骤可包括通过将所接收的上述超声波信号分成基本频率成分和高频成分并计算二次非线性参数及三次非线性参数的步骤，上述测定线性及非线性弹性系数的步骤包括如下的步骤：以上述传播速度为基础测定二次线性弹性系数的步骤；以及利用上述二次非线性参数、上述三次非线性参数及上述二次线性弹性系数来测定三次非线性弹性系数及四次非线性弹性系数的步骤，上述获得拉伸曲线的步骤包括如下的步骤：利用上述二次线性弹性系数、上述三次非线性弹性系数及上述四次非线性弹性系数来获得上述拉伸曲线的步骤；以及利用上述二次线性弹性系数、上述二次非线性参数及上述三次非线性参数来获得上述拉伸曲线的步骤。

上述测定线性及非线性弹性系数的步骤可包括如下的步骤：利用基准试片和上述被检查体的相对非线性参数之比和上述基准试片的绝对非线性参数来估算上述被检查体的绝对非线性参数的步骤；以及利用上述传播速度及上述绝对非线性参数来测定上述线性及非线性弹性系数的步骤。

上述进行估算的步骤可包括根据上述拉伸曲线的最大值估算上述拉伸强度的步骤。

上述进行估算的步骤可包括在上述拉伸曲线适用0.2％偏差来估算上述屈服强度的步骤。

本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算方法还可包括如下的步骤：通过累积上述非线性参数的变化量计算累积非线性参数的步骤；以及以上述累积非线性参数为基础，对上述被检查体的损伤时间点进行评价的步骤。

其他实施例的具体事项包含在详细说明及附图。

技术效果

根据本发明的一实施例，从超声波信号利用线性/非线性弹性系数来评价可在如拉伸试验等的破坏试验中获得的材料的拉伸特性(拉伸强度、屈服强度等)，由此，不经过拉伸试验也可准确诊断材料的强度特性及如强度下降的热化。

根据本发明的一实施例，若将本发明设置于结构物来利用，则可不间断地监测基于随时间变化的强度下降，因此可用成结构物健全性监测(SHM)技术。

附图说明

图1为示出用于说明本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算装置的框图。

图2为示出在本发明一实施例中测定基于铝合金的热处理时间的非线性参数的试验结果的图表。

图3为示出在本发明一实施例中测定基于铝合金的热处理时间的累积非线性参数的试验结果的图表。

图4为用于说明通过本发明一实施例的拉伸强度估算拉伸强度、屈服强度等的一例的图。

图5至图7为用于说明本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算方法的流程图。

图8为用于说明本发明另一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算方法的流程图。

具体实施方式

与附图一同参照详细后述的实施例，本发明的优点和/或特征及实现上述优点及特征的方法变得明确。但是，本发明并不局限于以下公开的实施例，本发明可体现为不同的多种形态，只是，本实施例使本发明的公开变得完整，本实施例用于向本发明所属技术领域的普通技术人员提供本发明的完整范畴，本发明的范围通过发明要求保护范围的范畴定义。在整个说明书中，相同附图标记表示相同结构要素。

以下，参照附图，详细说明本发明的实施例。

图1为用于说明本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算装置的框图。

参照图1，本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算装置100可包括超声波发送部110、超声波接收部120、信号处理部130、强度估算部140、热化评价部150及控制部160。

上述超声波发送部110使单频超声波信号向被检查体入射。

上述超声波接收部120接收透过上述被检查体或从上述被检查体反射的超声波信号。

上述超声波发送部110和上述超声波接收部120为众所周知的事项，因此将省略对其的详细说明。

上述信号处理部130通过借助上述超声波接收部120接收的超声波信号的时间间隔计算传播速度，并将所接收的上述超声波信号分成基本频率成分和高频成分。

上述信号处理部130求得上述基本频率成分的振幅和上述高频成分的振幅并代入以下数学式1，由此计算(二次)非线性参数。

数学式1

其中，β为二次非线性参数，A1为基本频率成分的振幅大小，A2为高频成分的振幅大小。并且，k为波数(wave number)，x为传播距离。

上述信号处理部130利用上述传播速度及上述非线性参数来测定线性及非线性弹性系数。

具体地，上述信号处理部130控制上述超声波发送部110和上述超声波接收部120来测定二次非线性参数、三次非线性参数及二次线性弹性系数，可利用上述二次非线性参数、上述三次非线性参数及上述二次线性弹性系数来测定三次非线性弹性系数及四次非线性弹性系数。

上述二次非线性参数可通过上述数学式1测定。

上述三次非线性参数可通过以下数学式2测定。

即，上述信号处理部130求得从借助上述超声波接收部120接收的超声波信号分离的基本频率成分和三次高频成分各个的振幅大小并代入以下数学式2中，从而可测定上述三次非线性参数。

数学式2

其中，γ为三次非线性参数，A1为基本频率成分的振幅大小，A3为三次高频成分的振幅大小，k为波数，x为传播距离。上述三次非线性参数与上述二次非线性参数满足以下数学式3的关系。

数学式3

γ＝β²

上述二次线性弹性系数可通过以下数学式4测定。

即，上述信号处理部130可测定借助上述超声波接收部120接收的超声波信号的纵波传播速度和横波传播速度并代入以下数学式4中，从而可测定上述被检查体的二次线性弹性系数。

数学式4

其中，E为二次线性弹性系数，ρ为传播介质的密度，CL为超声波的横波传播速度，CS为超声波的纵波传播速度。

上述三次非线性弹性系数可通过以下数学式5测定。

即，上述信号处理部130可将上述二次非线性参数和上述二次线性弹性系数代入以下数学式5中来测定上述三次非线性弹性系数。

数学式5

F＝βE

其中，F为三次非线性弹性系数，β为二次非线性参数，E为二次线性弹性系数。

上述四次非线性弹性系数可通过以下数学式6测定。

如以下数学式6所示，上述四次非线性弹性系数和上述三次非线性参数的关系可由上述四次非线性弹性系数和上述二次非线性参数表示。

因此，上述信号处理部130可将上述二次线性弹性系数和上述二次非线性参数代入以下的数学式6来测定上述四次非线性弹性系数。

数学式6

其中，G为四次非线性弹性系数，γ为三次非线性参数。并且，E为二次线性弹性系数，β为二次非线性参数。

另一方面，作为再一实施例，上述信号处理部130利用基准试片和上述被检查体的相对非线性参数之比和上述基准试片的绝对非线性参数来估算上述被检查体的绝对非线性参数。上述信号处理部130可利用上述传播速度及上述绝对非线性参数来测定上述线性及非线性弹性系数。

其中，上述被检查体的相对非线性参数之比可通过上述被检查体的相对非线性参数除以上述基准试片的相对非线性参数的运算方法来计算。

对于估算上述被检查体的绝对非线性参数的过程说明如下。

即，上述信号处理部130可利用频带滤波器来将所接收的上述超声波信号分成基本频率成分和二次高频成分，并可测定上述基准试片和上述被检查体的相对非线性参数。上述信号处理部130可将上述基本频率成分及上述二次高频成分适用于以下的非线性参数数学式7来测定上述基准试片和上述被检查体的相对非线性参数的值。

数学式7

其中，β为上述(二次)相对非线性参数值，A1为上述基本频率成分的振幅，A2为上述二次高频成分的振幅大小。

接着，如以下数学式8所示，上述信号处理部130通过上述被检查体的上述非线性参数除以上述基准试片的相对非线性参数的运算方法来计算上述基准试片和上述被检查体的相对非线性参数比(ratio)。

数学式8

其中，rβ为相对非线性参数值之比，β0'为基准试片的相对非线性参数值，β'为被检查体的相对非线性参数值。

接着，上述信号处理部130利用所计算的上述相对非线性参数之比和上述基准试片的绝对非线性参数来估算上述被检查体的绝对非线性参数。

此时，如以下数学式9所示，上述信号处理部130通过所计算的上述相对非线性参数之比乘以上述基准试片的绝对非线性参数的运算方法估算上述被检查体的绝对非线性参数。由此，根据本发明的一实施例，可获得作为上述超声波信号的非线性参数的上述估算的被检查体的绝对非线性参数。

数学式9

β＝β₀·r_β

其中，β为被检查体的绝对非线性参数，β0为绝对非线性参数值，rβ为相对非线性参数值。

上述强度估算部140利用上述线性及非线性弹性系数获得拉伸曲线，并利用上述拉伸曲线估算拉伸强度及屈服强度中的至少一种。

即，上述强度估算部140将上述二次线性弹性系数、上述三次非线性弹性系数及上述四次非线性弹性系数代入以下数学式10中来获得上述拉伸强度，或者，将上述二次线性弹性系数、上述二次非线性参数及上述三次非线性参数代入以下数学式11中来获得拉伸曲线。

数学式10

其中，σ为应力，ε为变形率。并且，E为二次线性弹性系数，F为三次非线性弹性系数，G为四次非线性弹性系数。

数学式11

其中，σ为应力，ε为变形率。而且，β为二次非线性参数，γ为三次非线性参数。

如图4所示，上述强度估算部140可根据上述拉伸曲线的最大值估算上述拉伸强度，可在上述拉伸曲线适用0.2％的偏差来估算上述屈服强度。

上述热化评价部150能够以通过累积上述非线性参数的变化量来计算的累积非线性参数为基础来对上述被检查体的损伤时间点进行评价。

为此，上述信号处理部130可获得基于借助上述超声波接收部120接收的超声波信号的随时间变化的非线性参数，并通过累积上述非线性参数的变化量来计算上述累积非线性参数。

即，上述信号处理部130可将初始非线性参数及上述非线性参数的变化量代入以下的数学式12中来计算上述累积非线性参数。

数学式12

β_c＝β₀十∑|Δβ|

其中，βc为累积非线性参数，β0为初始非线性参数，βΔ为随时间变化的非线性参数的变化量。作为参考，在材料被进行热处理的情况下，可向上述数学式11代入上述数学式12的βc。

即使上述热化评价部150在其他热处理温度中进行高温热化，若上述累积非线性参数(βc)相同，则上述热化评价部150判断为受到相同损伤。由此，可判断材料(被检查体)的损伤程度，可通过上述累积非线性参数评价上述被检查体的损伤时间点。

如图2所示，在本发明一实施例中，测定基于铝合金的热处理时间的非线性参数，如图3所示，求得基于铝合金的热处理时间的非线性参数的试验结果，若相同，则可判断为承受相同的损伤。

由此，上述热化评价部150可判断上述材料(被检查体)的损伤程度，并通过上述累积非线性参数评价上述被检查体的损伤时间点。

上述控制部160可控制本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算装置100，即，上述控制部160可以整体上控制上述超声波发送部110、上述超声波接收部120、上述信号处理部130、上述强度估算部140及上述热化评价部150等的动作。

图5为用于说明本发明一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算方法的流程图。上述方法可通过图1的热化评价及强度估算装置100执行。

参照图5，在步骤510中，上述热化评价及强度估算装置使单频超声波信号向被检查体入射。

接着，在步骤520中，上述热化评价及强度估算装置接收透过上述被检查体或从上述被检查体反射的超声波信号。

接着，在步骤530中，上述热化评价及强度估算装置通过所接收的上述超声波信号的时间间隔计算传播速度。

接着，在步骤540中，上述热化评价及强度估算装置将所接收的上述超声波信号分成基本频率成分和高频成分来计算非线性参数。

接着，在步骤550中，上述热化评价及强度估算装置利用上述传播速度及上述非线性参数来测定线性及非线性弹性系数。

具体地，参照图6，在步骤610中，上述热化评价及强度估算装置以上述传播速度为基础测定二次线性弹性系数。接着在步骤620中，上述热化评价及强度估算装置可利用二次非线性参数、上述三次非线性参数及上述二次线性弹性系数来测定三次非线性弹性系数及四次非线性弹性系数。

作为另一实施例，参照图7，在步骤710中，上述热化评价及强度检测装置利用基准试片和上述被检查体的相对非线性参数之比和上述基准试片的绝对非线性参数来估算上诉后被检查体的绝对非线性参数。接着在步骤720中，上述热化评价及强度估算装置可利用上述传播速度及上述绝对非线性参数来测定上述线性及非线性弹性系数。

再次参照图5，在步骤560中，上述热化评价及强度估算装置利用上述线性及非线性弹性系数获得拉伸曲线。

接着，在步骤570中，上述热化评价及强度估算装置利用上述拉伸曲线估算拉伸强度和/或屈服强度。

图8为用于说明本发明另一实施例的利用超声波的热化评价及强度估算方法的流程图。上述方法可通过图1的热化评价及强度估算装置100执行。

参照图8，在步骤810中，上述热化评价及强度估算装置使单频超声波信号向被检查体入射。

接着，在步骤820中，上述热化评价及强度估算装置接收透过上述被检查体或从上述被检查体反射的超声波信号。

接着，在步骤830中，上述热化评价及强度估算装置通过所接收的上述超声波信号的时间间隔计算传播速度。

接着，在步骤840中，上述热化评价及强度估算装置将所接收的上述超声波信号分成基本频率成分和高频率成分并计算非线性参数。

接着，在步骤850中，上述热化评价及强度估算装置累积随时间变化的上述非线性参数的变化量来计算累积非线性参数。

接着，在步骤860中，上述热化评价及强度估算装置以上述累积非线性参数为基础，对上述被检查体的损伤时间点进行评价。

以上，说明了本发明的具体实施例，在不超出本发明的范围内，可进行多种变形。因此，本发明的范围并不局限于上述说明的实施例，本发明的范围通过发明要求保护范围和上述发明要求保护范围的等同技术方案定义。

如上所述，虽然通过限定的实施例和附图说明了本发明，但是本发明并不局限于上述实施例，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员，即可从上述记载进行多种修改及变形。因此，本发明的思想仅通过所记载的发明要求保护范围把握，发明要求保护范围的等同或等价变形均属于本发明的思想范畴。