This study presents nonlinear ultrasonic wave modulations that can be effectively used for crack detection in thin structural components. Typically, Fatigue cracks occur when a structure is exposed to repeated load, although the load causes the smaller stress than the yield stress. The crack widths of the fatigue cracks are extremely small in the early development stage. As the fatigue cracks grow by combining and coalescing, the overall size increases. The existence of cracks deteriorates the integrity of structures and reduces safety. Therefore, fatigue crack detection is very important to ensure the integrity of structures. To detect these cracks, nonlinear ultrasonic wave modulation technique, a promising fatigue crack-detection technique, has been proposed and used due to its high detecting sensitivity. The nonlinear modulated waves are generated by the truncation of the waves passing through cracks due to the opening and closing of the cracks, and the nonlinear ultrasonic modulation technique has been known to be effective in detecting finer cracks in comparison with other linear ultrasonic methods since the technique utilizes the breathing of the cracks rather than wave reflections or refractions. Although this phenomenon has been observed and used to detect microcracks, the underlying principles have not been thoroughly elucidated. Also, if the cracks are strongly compressed, the crack opening is hindered due to the excessive initial stress, and the nonlinearity does not show up. In this study, I present a technique for microcrack modeling in the finite element framework, and numerically investigate the occurrence of the nonlinear wave modulation. By analyzing photomicrographs of the cracks with crack width measuring algorithm, a realistic crack model is generated. Experiments with aluminum specimens before and after fatigue-crack generation show that cracks are detected correctly in both pristine and damaged specimens. Also, the improvement of the nonlinear modulation wave technique for the detection of microcracks under compression is devised. Nonlinear ultrasonic modulation is investigated with various frequency combinations, and an algorithm that can comprehensively analyze the results by comparison with ambient noise is proposed. When the developed crack-detection method is employed while applying an external force, specimen defects are correctly detected, although the magnitudes of modulated waves decreased. The time and effort required for monitoring the structure’s health can be reduced by using ambient noise as a reference.
본 연구에서는 미세 균열에서 발생하는 비선형 초음파 변조 현상을 수치적으로 검증하고, 구조물 내에 위치한 균열을 효과적으로 탐지할 수 있는 방법을 제시한다. 피로균열은 일반적으로 구조물이 항복 응력보다 작은 응력에 반복적으로 노출 될 때 발생한다. 피로 균열의 폭은 초기 단계에서 매우 작지만, 피로 균열의 성장에 따라 그 크기가 빠르게 증가한다. 따라서 피로 균열의 조기 탐지는 구조물의 안전성 보장을 위해 매우 중요하다. 초기 단계의 미세균열을 검출을 위해, 높은 검출 감도의 균열 검출 기술인 비선형 초음파 변조 기법이 제안되어 사용되고 있다. 변조파는 균열의 여닫힘으로 인해 균열을 통과하는 파가 절단되어 생성된다. 균열의 여닫힘을 이용하는 비선형 초음파 변조 기법은 파의 반사나 굴절을 이용하는 다른 선형 초음파 기법에 비해 미세한 균열을 검출하는 데 효과적인 것으로 알려져 있다. 균열로 인한 파의 변조 현상이 관찰되어 미세 균열을 탐지하는 데 사용되었지만 그 기본 원리는 완전히 밝혀지지 않았다. 또한, 균열이 강하게 압축되면 초기 응력으로 인해 균열의 열림에 방해를 받아 비선형 성을 관찰하기에 어려움이 있다. 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 미세 균열 모델링 기법을 제시하고 비선형 초음파 변조 현상을 수치적으로 관찰, 검증하였다. 균열 폭 측정 알고리즘으로 균열의 현미경 사진을 분석함으로써 현실적인 균열 모델이 생성하여 해석에 적용하였다. 또한 알루미늄 시편을 이용하여 실험적으로 균열을 감지하였고, 압축 하에서 미세 균열을 검출하기위한 비선형 변조 기법을 제시하였다. 다양한 주파수 조합으로 비선형 초음파 변조 시험을 수행하고 주변 노이즈와 비교하여 결과를 종합적으로 분석하는 알고리즘이 제안하고, 이를 이용하여 외력을 받는 시편의 균열을 감지하였다. 주변 소음을 비교 기준으로 사용하여 기존 방법에 비해 상대적으로 적은 시간과 에너지로 구조물의 상태를 모니터링할 수 있다.
