• Smart Structures and Systems
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• 제25권3호
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• pp.301-310
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• 2020

The laser ultrasonic technique is gaining popularity for nondestructive evaluation (NDE) applications because it is a noncontact and couplant-free method and can inspect a target from a remote distance. For the conventional laser ultrasonic techniques, a pulsed laser is often used to generate broadband ultrasonic waves in a target structure. However, for crack detection using nonlinear ultrasonic modulation, it is necessary to generate narrowband ultrasonic waves. In this study, a pulsed laser is shaped into dual-line arrays using a spatial mask and used to simultaneously excite narrowband ultrasonic waves in the target structure at two distinct frequencies. Nonlinear ultrasonic modulation will occur between the two input frequencies when they encounter a fatigue crack existing in the target structure. Then, a nonlinear damage index (DI) is defined as a function of the magnitude of the modulation components and computed over the target structure by taking advantage of laser scanning. Finally, the fatigue crack is detected and localized by visualizing the nonlinear DI over the target structure. Numerical simulations and experimental tests are performed to examine the possibility of generating narrowband ultrasonic waves using the spatial mask. The performance of the proposed fatigue crack localization technique is validated by conducting an experiment with aluminum plates containing real fatigue cracks.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제52권3호
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• pp.621-625
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• 2020

Cast austenitic stainless steel (CASS) is used for fabricating different components of the primary reactor coolant system of pressurized water reactors. However, the thermal embrittlement of CASS resulting from long-term operation causes structural safety problems. Ultrasonic testing for flaw detection has been used to assess the thermal embrittlement of CASS; however, the high scattering and attenuation of the ultrasonic wave propagating through CASS make it difficult to accurately quantify the flaw size. In this paper, we present a different approach for evaluating the thermal embrittlement of CASS by assessing changes in the material properties of CASS using a nonlinear ultrasonic technique, which is a potential nondestructive method. For the evaluation, we prepared CF8M specimens that were thermally aged under four different heating conditions. Nonlinear ultrasonic measurements were performed using a contact piezoelectric method to obtain the relative ultrasonic nonlinearity parameter, and a mini-sized tensile test was performed to investigate the correlation of the parameter with material properties. Experimental results showed that the ultrasonic nonlinearity parameter had a correlation with tensile properties such as the tensile strength and elongation. Consequently, we could confirm the applicability of the nonlinear ultrasonic technique to the evaluation of the thermal embrittlement of CASS.

• 비파괴검사학회지
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• 제30권4호
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• pp.345-351
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• 2010

본 연구에서는 고주기 피로를 받은 SUS316L 강에서의 초음파 비선형 특성평가를 위한 종파 경사입사기법을 연구하였다. Dog-bone형의 판상시편을 준비하여 시편 중심부에서 응력집중이 되며 각 위치마다 피로 손상이 다르도록 제작하였다. 수직투과법 외에 본 연구에서 새로이 제안한 경사입사법을 이용하여 초음파 비선형 파라미터를 측정하였다. 두 기법 모두에서 피로 손상 전보다 고주기 피로 손상 후 초음파 비선형 파라미터가 높게 나타났다. 특히, 응력 집중을 받은 시편 중심부에서 크게 증가하였다. 상대적인 초음파 비선형 파라미터는 피로 손상과 밀접한 상관성을 보였으며 결과적으로 종파를 이용한 경사입사기법은 피로 손상을 평가하는데 효과적인 기법이라 할 수 있다.

• 콘크리트학회논문집
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• 제24권6호
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• pp.651-658
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• 2012

이번 연구에서는 비선형 음향효과를 기반으로 한 비선형 초음파 변조 기법을 통해 열손상 콘크리트의 미세균열 정도를 평가할 수 있는 방법을 제안하였다. 화재 시 콘크리트 구조물은 물리적, 화학적 변화에 따른 콘크리트 내 미세균열이 발생하므로, 기존 초음파 비파괴 기법의 민감도 한계를 극복한 비파괴 기법의 도입이 필요하다. 비선형 초음파 기법은 초음파와 저주파의 변조파로부터 열손상 평가 인자인 비선형인자를 측정하며, 이는 열손상 콘크리트의 미세균열에 적합한 민감도를 가진다. 이 연구에서는 SEM 관측, 열손상 전후 콘크리트의 투수공극량 변화 측정으로부터 수열온도에 따라 미세균열이 급격하게 발생함을 보였으며, 수열온도별 콘크리트의 초음파 전파속도 측정을 통해 제안된 방법의 민감도를 검증하였다. 추가적으로 열손상에 따른 미세균열이 콘크리트의 성능저하에 미치는 영향을 파악하고자 열손상 콘크리트 시편의 압축강도 측정을 수행하였다. 측정값 및 실험값의 연관성을 파악하여 비선형 초음파 변조 기법이 열손상 콘크리트의 미세균열 평가에 적합함을 보였으며, 향후 압축강도 추정에 대한 적용 가능성을 확인하였다.

• 비파괴검사학회지
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• 제33권1호
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• pp.1-6
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• 2013

Ultrasonic guided wave techniques have been widely used for long range nondestructive detection in tube-like structures. The present paper investigates the ultrasonic linear and nonlinear parameters for evaluating the thermal damage in aluminum pipe. Specimens were subjected to thermal loading. Flexible polyvinylidene fluoride (PVDF) comb transducers were used to generate and receive the ultrasonic waves. The second harmonic wave generation technique was used to check the material nonlinearity change after different heat loadings. The conventional linear ultrasonic approach based on attenuation was also used to evaluate the thermal damages in specimens. The results show that the proposed experimental setup is viable to assess the thermal damage in an aluminum pipe. The ultrasonic nonlinear parameter is a promising candidate for the prediction of micro-damages in a tube-like structure.

• 비파괴검사학회지
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• 제36권2호
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• pp.121-129
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• 2016

As the lifespan of concrete structures increases, their load carrying capacity decreases owing to cyclic loads and long-term effects such as creep and shrinkage. For these reasons, there is a necessity for stress state monitoring of concrete members. Particularly, it is necessary to evaluate the concrete structures for behavioral changes by using a technique that can overcome the measuring limitations of usual ultrasonic nondestructive evaluation methods. This paper proposes the use of a nonlinear ultrasonic method, namely, nonlinear resonant ultrasonic spectroscopy (NRUS) for the measurement of nonlinearity parameters for stress monitoring. An experiment compared the use of NRUS method and a linear ultrasonic method, namely, ultrasonic pulse velocity (UPV) to study the effects of continuously increasing loads and cyclic loads on the nonlinearity parameter. Both NRUS and UPV methods found a similar direct relationship between load level and that parameter. The NRUS method showed a higher sensitivity to micro-structural changes of concrete than UPV method. Thus, the experiment confirms the possibility of using the nonlinear ultrasonic method for stress state monitoring of concrete members.

• 비파괴검사학회지
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• 제32권5호
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• pp.564-572
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• 2012

본 논저에서는 하모닉 영상을 소개하고, 그 원리를 및 물리적 특성을 기존 초음파 영상과 대비하여 기술한다. 인체 조직의 경계에서 반사하는 초음파 에코를 이용한 기존의 초음파 영상의 원리를 제시하고 하모닉 성분을 생성하는 비선형 초음파 전파 과정을 개념적으로 기술한다. 초음파 에코 신호로부터 하모닉 성분을 효율적으로 추출하는 pulse inversion technique를 소개하고 구현된 하모닉 영상이 종래의 초음파 영상과 비교하여 장점을 요약한다. 하모닉의 생성 기전에 따라 하모닉 영상을 분류하고 하모닉 영상을 기존의 초음파 영상과 비교한다. 하모닉 영상의 임상적 중요성, 향후 전망 및 새로운 연구 분야를 언급한다.

• 비파괴검사학회지
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• 제37권2호
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• pp.115-121
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• 2017

The nonlinear ultrasonic technique is a potential nondestructive method to evaluate material degradation, in which the ultrasonic nonlinearity parameter is usually measured. The ultrasonic nonlinearity parameter is defined by the elastic nonlinearity coefficients of the nonlinear Hooke's equation. Therefore, even though the ultrasonic nonlinearity parameter is not equal to the elastic nonlinearity parameter, they have a close relationship. However, there has been no experimental verification of the relationship between the ultrasonic and elastic nonlinearity parameters. In this study, the relationship is experimentally verified for a heat-treated aluminum alloy. Specimens of the aluminum alloy were heat-treated at $300^{\circ}C$ for different periods of time (0, 1, 2, 5, 10, 20, and 50 h). The relative ultrasonic nonlinearity parameter of each specimen was then measured, and the elastic nonlinearity parameter was determined by fitting the stress-strain curve obtained from a tensile test to the 5th-order-polynomial nonlinear Hooke's equation. The results showed that the variations in these parameters were in good agreement with each other.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제30권3호
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• pp.215-222
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• 2017

프리스트레스트 보의 인장력 변화에 따른 콘크리트 응력 수준을 평가하기 위하여, 초음파를 이용하는 기존의 방법보다 개선된 비선형 초음파 공진 기법의 도입을 제안하였다. 이는 동일하게 초음파를 사용하는 선형의 기법보다 월등히 높은 민감도를 보이므로 초기 상태의 응력 평가에도 유리하다. 비선형 초음파 공진 기법은 초음파 통과시 매질 상태에 따른 공진 주파수의 변화의 정도로부터 계산되는 비선형 인자의 값을 측정하며, 측정 결과는 콘크리트의 응력 상태와도 밀접한 연관을 갖는다. 본 연구에서는 유압 펌프를 통한 인장력 작용에 따른 비선형 인자의 측정을 수행함으로써 두 인자 사이에 밀접한 연관성이 있음을 확인하고, 반복적인 하중 이력의 작용이 비선형 인자의 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 추가적으로, 선형 초음파 전파 속도 측정 결과를 비교하여 제안한 방법의 민감도를 검증하였다. 측정 결과를 통해 프리스트레스트 보의 콘크리트 응력 수준 평가를 위한 비선형 초음파 공진 기법의 적용 가능성을 확인하였다.

• Smart Structures and Systems
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• 제20권6호
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• pp.683-696
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• 2017

In this study, the reliability of nonlinear ultrasonic modulation based fatigue crack detection is improved using a feature-level data fusion approach. When two ultrasonic inputs at two distinct frequencies are applied to a specimen with a fatigue crack, modulation components at the summation and difference of these two input frequencies appear. First, the spectral amplitudes of the modulation components and their spectral correlations are defined as individual features. Then, a 2D feature space is constructed by combining these two features, and the presence of a fatigue crack is identified in the feature space. The effectiveness of the proposed fatigue crack detection technique is experimentally validated through cyclic loading tests of aluminum plates, full-scale steel girders and a rotating shaft component. Subsequently, the improved reliability of the proposed technique is quantitatively investigated using receiver operating characteristic analysis. The uniqueness of this study lies in (1) improvement of nonlinear ultrasonic modulation based fatigue crack detection reliability using feature-level data fusion, (2) reference-free fatigue crack diagnosis without using the baseline data obtained from the intact condition of the structure, (3) application to full-scale steel girders and shaft component, and (4) quantitative investigation of the improved reliability using receiver operating characteristic analysis.