We have developed a novel technique to find where impact sources on dispersive structures like plates or shells in noisy environment are. We propose to utilize a smoothed Wigner-Ville distribution to find the impact locations. It uses asymmetric window in ambiguity function domain to effectively eliminate noise. We also look at its minimum variance to estimate their group velocities.
Conventionally two distinctive methods to localize an impact source in a dispersive medium have been widely used: One is a triangulation method and the other is a circle intersection technique. Those techniques have been successfully used only when the impact response signal has a high SNR(Signal to Noise Ratio) and also the group velocity has been identified by experiment or theoretically. In case of the pressure structures for a nuclear power plant, the flexural waves are generated and propagate onto the surface of the structures when loose parts hit their surfaces during normal operation. In practice, the impact response signals are normally embedded in the operating noise, and the group velocity is not always available since the material properties of the components in the nuclear power plant are continuously being changed. In this paper a method to enhance the localization capability.
The group velocities are presumed by assuming a source location based on the measured time-of-arrival-differences (TOADs) between a pair of sensors when an impact signal is detected. Then a minimum variance of the presumed group velocities is being scanned over the structure to accurately localize the impact source location. However, this estimation degrades as its SNR decreases. To reduce the noise effect, an asymmetrically weighted window is also suggested in smoothed Wigner-Ville distributions (WVDs) of the measured signals. It can selectively weight the signal component excluding the noise effects to enhance the SNR in the time-frequency domain.
Experiments and simulations were carried out to verify the validity of this technique. As a result, the proposed technique is found to be effective for the impact source localization on the plate and shell structures without a priori information on the group velocity, even in noisy environment. In addition, the method has been successfully applied to a real nuclear power plant to localize an impact source generated by a steel bail.
In conclusion, the technique proposed in this paper is found to be useful to identify an impact source location.
원전의 압력경계 구조물과 유사한 탄성영역의 평판 및 쉘 구조물에서, 충격에 의하여 발생한 굽힘파는 주파수에 따라서 에너지의 전파 속도가 달라지는 분산특성을 갖는다. 여기서 파동 에너지의 전파속도는 군속도로 표현되며, 군속도는 구조물의 형상 및 재질의 특성 변화에 따라 달라진다. 그리고 쉘의 경우에는 평판에 비하여 추가적으로 곡률의 영향을 받는다.
평판 및 쉘 구조물에서 충격의 발생위치를 정확하게 추정하기 위해서는 군속도에 대한 정보가 필수적이다. 그러나 원전의 압력경계 구조물의 경우에는 군속도를 정확하게 알기가 어렵다. 즉, 원자로가 오랜 기간 동안 가동이 되면 고온, 고압 및 강한 방사선의 영향을 받게 되며, 중성자의 조사 (radiation)에 의하여 구조물의 재질특성이 변화하므로 실제 원자로가 가동중인 상황에서 군속도를 정확하게 구하기는 어려운 상황이다.
또한 실제 잡음의 영향이 커서 충격신호가 잡음 속에 묻히는 경우에도 충격의 발생위치 추정이 더욱 어려우며, 기존의 방법으로는 위치 추정을 수행할 수가 없다.
본 연구에서는 시간-주파수 분해능이 우수한 위그너-빌 분포 기법을 적용하여 굽힘파 에너지의 주파수별 센서간 도달시간차를 측정하여, 군속도를 전혀 모르는 상황에서도 군속도를 가정하여 그 분산이 최소가 되는 점을 스캔함으로써 충격의 발생 지점을 정확하게 추정하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 평판뿐만 아니라 곡률이 존재하는 쉘의 경우에도 적용이 가능하며 역으로 군속도에 대한 정보까지 확보할 수 있다.
잡음이 크게 존재하는 경우에는 굽힘파의 분산특성을 이용한 비대칭 스무딩을 통하여 시간영역에서의 응답신호를 왜곡시키지 않고, 시간-주파수 영역 자체에서 신호대잡음비(SNR)를 향상시키는 방법을 제안하였다. 따라서 신호대잡음비가 좋지 않은 경우에 대해서도 충격의 발생위치를 추정할 수 있다.
제안된 방법을 검증하기 위하여 평판 및 원자로 목업의 반구 쉘에 대하여 충격 실험 및 시뮬레이션을 수행하였다. 평판 및 반구 쉘에 대한 군속도의 사전 정보가 없는 경우에도 충격의 위치 및 군속도를 정확히 추정할 수 있었다. 그리고 평판 및 쉘의 충격 응답 신호에 가우시안 랜덤 잡음을 인위적으로 혼합하여 신호대잡음비가 나쁜 경우에 대하여서도, 추가적으로 제안한 비대칭 스무딩 방법을 병행하면, 동일한 방법으로 충격의 발생위치를 추정할 수 있음을 관찰하였다.
아울러 가압 경수형 원전에서 원자로 하부 및 증기발생기의 하부 측에 대하여 충격 시험을 수행하여 위치 추정을 시도하였다. 그 결과 기존의 방법에 비하여 실제 구조물의 표면상에 정확한 위치추정이 가능함을 확인하였다.
