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초음파 후방산란에 미치는 표면 밑 구조의 영향 및 이방성 재료에서 램파의 전파 특성 = Influence of subsurface microstructure on ultrasonic backscattering from liquid / metal interface at rayleight angle and characteristics of lamb wave propagation in anisotropic materials
서명 / 저자 초음파 후방산란에 미치는 표면 밑 구조의 영향 및 이방성 재료에서 램파의 전파 특성 = Influence of subsurface microstructure on ultrasonic backscattering from liquid / metal interface at rayleight angle and characteristics of lamb wave propagation in anisotropic materials / 이정기.
저자명 이정기 ; Lee, Jeong-Ki
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1999].
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The characteristics and the phenomena resulting from the interaction of the pulse type waves with the interface or subsurface of the isotropic and anisotropic elastic plates were studied. The transverse mode waves were observed in the pulse-echo signals of the longitudinal mode normal beam transducer with a finite area, and compared with the pulse-echo signals calculated by introducing the Green's function of the elastic plates. The generation of the transverse mode wave is accounted for by the excitation of transverse mode in the ultrasonic pulse as a result of the mode conversion at the surfaces of the plate due to the Poisson's ratio in elastic body, Thus, the phase velocities of the longitudinal and transverse waves could be determined simultaneously by measuring of the arrival time of 2P and 4P echoes of the longitudinal mode and 1P1S echo, respectively. The scattered ultrasonic energy from a liquid/solid interface at the Rayleigh angle, $E_s$, was theoretically derived by considering the interaction between the energy of the penetrated Rayleigh wave, $E_0$, and the microstructure in the subsurface within the Schoch displacement, $\Delta_s$, as $E_s = $\frac{1}{4} \alpha_s \Delta_s E_0$, where $\alpha_s$ is the attenuation coefficient due to scattering. Theoretical dependance of the backscattered ultrasonic energy on the average grain size, D, and frequency, f, at the Rayleigh angle, $E_{Bs}$, was derived as $E_{Bs}$, $\propto D^3 f^3$, and ∝ Df in the Rayleigh and stochastic scattering region, respectively. The exponents of the grain size and the frequency dependence obtained by both integration and power spectrum analysis of the backscattered signals from the interface between the water/stainless steel plates were about 3.5 and 2 in the region of $\lambda_R$ ≥ 6 πD and $\lambda_R$ ≤ 6 πD, respectively. The deviation of the exponents is attributed to the contribution of the direct scattering from the surface roughness in addition to the grain size distribution. The results suggested that the backscattered ultrasonic wave at the Rayleigh angle was built up predominantly by the scattering from the grain boundaries in the subsurface within the Schoch displacement and the direct scattering from the irregularities on the surface. The elastic waves in the anisotropic plates of CFRP plates is dispersive with the characteristics of Lamb wave. However, $S_0$ symmetric mode of Lamb wave is less dispersive in the frequency region less than the first cut-off frequency. Nevertheless, the velocities of $S_0$ symmetric mode vary with the direction and the direction of the wavevector does not accord with that of group velocity. The group velocity of the $S_0$ symmetric mode propagating along the fibre direction in the frequency region less than the first cut-off frequency is larger than that propagating along other directions, and the directions declined to the fibre direction, in the unidirectional and $(0^{circ}/90^{circ})_{2S}$ bidirectional CFRP plates. This suggests that the energy propagates preferentially toward the fibre direction. However, the group velocities in $(0^{circ}/45^{circ}/-45^{circ}/90^{circ})_S$ quasi-isotropic CFRP plates does not vary with the propagating direction and the direction accords with the wavevector, indicating the quasi-isotropic CFRP plate has an isotropic structure for the $S_0$ symmetric mode of Lamb wave. The maximum angle of the deviation of the group velocity direction from the wavevector, $\phi_{max}$, was obtained as 56° and 27° in the unidirectional and $(0°/90°)_{2S}$ bidirectional CFRP plates, respectively. Since $\phi_{max}$ increases with the anisotropy, it is proposed that $A_p = 1/cos\phi_{max}$ is an appropriate anisotropic factor for the laminated FRP plate.

표면을 갖는 고체 판의 국부적인 위치에서 pulse type의 탄성파가 발생되었을 때 표면과의 상호작용에 의해 나타나는 현상과 고체 판에서 전파하는 탄성파의 전파 특성이 조사되었고, 다음과 같은 결과를 얻었다. 유한한 면적을 가지는 종파모드 transducer로서 판에서 측정한 pulse-echo 신호에서 종파모드 뿐만이 아니라 횡파모드도 관찰되었고, 탄성체 판에 대한 Green's function을 도입하여 계산한 pulse-echo 신호와 비교하였다. 탄성체의 Poisson의 비에 의해서 횡파모드는 초음파 pulse를 여진 시킬 때부터 발생되며, 또한 판의 표면에서 모드전환에 의해 생성된다. 이와 같은 pulse-echo 신호에서 종파모드의 2P와 4P echo들과 횡파 모드로 전환되어 진행하여 형성된 1PIS echo의 도달시간을 측정함으로써 종파와 횡파의 위상속도를 동시에 측정할 수 있었다. 그리고, Rayleigh 입사각일때 액체/금속 경계면에서 산란되는 초음파를 금속에서 Rayleigh wave로 전환된 에너지, Eo가 Schoch displacement, $\Delta_s$, 내에서 표면 밑의 미세구조인 grain에 의한 산란에 의해 형성되는 것으로 가정하여 산란파의 에너지, $E_s$는 $E_s = \frac{1}{4}\alpha_s\Delta_s E_0$인 관계를 가짐을 이론적으로 유도하였다. 여기서 $\alpha_s$는 산란에 의한 감쇠계수를 나타낸다. 또한, Rayleigh 입사각에서 후방산란파 에너지, $E_{Bs}$는 Rayleigh 산란 영역과 stochastic 산란 영역에서 grain의 평균 크기, D와 주파수, f에 대하여 각각 $E_{Bs}\proptoD^3f^3$와 $E_{Bs}\propto D f$인 관계로 유도되었다. 이러한 후방산란파의 grain의 평균 크기 및 주파수 의존성을 물과 5.6~40.5㎛ 범위의 grain의 평균 크기를 가지는 스테인레스 강판의 경계면에서 후방산란된 초음파 신호를 적분과 power spectrum 분석에 의해서 얻어졌다. Grain의 평균 크기 및 주파수에 대한 지수는 $\lambda_R ≥ 6\pi D$인 영역에서는 약 3.5로 나타났으며, $\lambda_R ≤ 6\pi D$인 영역에서는 2로 나타났으며, 두 다른 변수에 대한 지수는 같은 크기를 가지며 또한 같은 변화를 갖는다. 이론에 의해 나타난 지수와 측정에서 얻은 지수의 차이는 $\lambda_R ≥ 6\pi D$인 영역의 경우 표면에서의 직접산란의 영향에 기인하며, $\lambda_R ≤ 6\pi D$인 영역의 경우 grain의 크기 분포에 의해 stochastic 산란의 영향이 결부되기 때문이다. 이러한 결과는 Rayleigh 입사각에서 액체/금속의 경계면으로부터 후방산란되는 초음파는 Schoch displacement내에서 표면 밑의 grain에서의 산란에 의해 형성되며, 표면에서의 직접산란에 의한 영향을 받고 있음을 보여주는 것이다. CFRP 판과 같은 이방성 판을 따라 전파하는 wave는 Lamb wave의 분산 특성과 이방성에 의해 속도가 주파수 및 방향에 따라 변화하는 복잡한 특성을 갖는다. 그러나, cjy번째 cu-off frequency 이하의 주파수 영역에서 Lamb Wave의 $S_0$ 대칭모드는 주파수에 따른 분산이 거의 없다. 그럼에도 불구하고, 이방성 때문에 속도는 방향에 따라 변화하며, wavevector의 방향은 군속도 방향과 일치하지 않는다. Unidirectional and $(0^{circ} /90^{circ})_{2S}$ bidirectional CFRP 판에서 첫번째 cut-off frequency 이하의 주파수 영역의 $S_0$ 대칭모드의 군속도가 에너지 흐름 방향에 따라 pinducer로 측정되었다. 섬유 방향쪽의 군속도가 다른 방향에 비하여 더 크며, 군속도의 방향은 섬유 방향 쪽으로 기울어져 있다. 이것은 에너지가 섬유 방향 쪽으로 더 잘 전파함을 의미한다. 군속도와 wavevector의 방향간의 최대 차이각, $\phi_{max}$는 unidirectional과 $(0^{circ}/90^{circ})_{2S}$ bidirectional CFRP 판에 대해 각각 56^{circ} 와 27^{circ} 로 얻어졌다. 그러나, $(0^{circ} /45^{circ} /-45^{circ} /90^{circ})_S$ quasi-isotropic CFRP판에서는 군속도는 방향에 따라 전파하지 않았으며, 군속도의 방향과 wavevector의 방향도 일치하였다. 이것은 quasi-isotropic CFRP 판이 $S_0$ 대칭모드에 대해 등방적인 구조를 지님을 나타내는 것이다. 군속도 방향과 wavevector의 방향의 최대 차이각, $\phi_{max}$는 이방성이 클수록 증가하기 때문에 판의 이방성 factor를 $A_p = 1/cos \phi_{max}$로 표현할 것을 제안하였다. 이렇게 제안된 이방성 factor는 unidirectional, $(0^{circ} /90^{circ})_{2S}$ bidirectional 그리고 $(0^{circ} /45^{circ} /-45^{circ} /90^{circ})_S$ quasi-isotropic CFRP 판에 대해 각각 1.79, 1.12 그리고 1로 얻어졌다.

서지기타정보

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청구기호 {DPH 99006
형태사항 xiii, 171 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Jeong-Ki Lee
지도교수의 한글표기 : 김수용
공동교수의 한글표기 : 김호철
지도교수의 영문표기 : Soo-Yong Kim
공동교수의 영문표기 : Ho-Chul Kim
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 참고문헌 : p. 161-171
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