KR102260598B1 - System for evaluating internal damages of asphalt-concrete bridge-deck using air-coupled ultrasonics, and method for the same - Google Patents
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Abstract
아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상 평가를 위해서 비접촉 초음파를 활용하여 판상형 유도파를 발생시킨 후 누설파를 측정함으로써, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 표면을 직접 접촉하지 않고도 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 정보를 얻을 수 있고, 또한, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 내부 계측 데이터를 2차원 영상으로 시각화함으로써 박리손상 결함을 직관적으로 파악함으로써 현장적용 가능성을 높일 수 있으며, 또한, 콘크리트 구조물에 변형이나 손상을 가하지 않고 상시적으로 진단함으로써 연속적인 중장기 데이터 제공이 가능하며, 다유형 조건의 콘크리트 시험체에 대하여 초음파 신호, 내부 영상 이미지 등의 데이터를 확보하여 노후 인프라 시설물의 내부손상에 대한 정량적 데이터(내부손상 정도, 위치에 대한 시각적 정보 등)를 제공할 수 있는, 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템 및 그 방법이 제공된다.Information on the inside of the asphalt-concrete bridge pavement without direct contact with the asphalt-concrete bridge pavement surface by measuring the leakage wave after generating plate-shaped guided waves using non-contact ultrasonic waves to evaluate the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement. In addition, by visualizing the internal measurement data of the asphalt-concrete bridge pavement as a two-dimensional image, the possibility of field application can be increased by intuitively identifying the delamination damage defect, and also without applying deformation or damage to the concrete structure. It is possible to provide continuous mid- to long-term data through regular diagnosis, and quantitative data on internal damage (degree of internal damage, location) of old infrastructure facilities by securing data such as ultrasound signals and internal image images for concrete specimens under various conditions. Visual information, etc.) of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system and method using non-contact ultrasonic waves are provided.
Description
본 발명은 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 비접촉 초음파(Air-Coupled Ultrasonic)를 활용하여 판상형 유도파(Plate Guided Wave)를 발생시킨 후 누설파를 측정함으로써 아스팔트-콘크리트 교면포장(Bridge Deck Pavement) 내부의 박리손상(Delamination Damage) 평가하는, 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system, and more specifically, by using non-contact ultrasonic waves (Air-Coupled Ultrasonic) to generate a plate-guided wave and then measuring the leakage wave. To evaluate the delamination damage inside the bridge deck pavement, the asphalt-concrete bridge deck delamination damage evaluation system and method therefor.
통상적으로, 국가기반시설물에 대한 공공투자는 국가경제발전을 위한 중요한 요소 중 하나로서, 보다 적극적인 유지관리의 필요성이 가중되고 있다. 특히, 교면포장(Bridge Deck Pavement) 내부에서 발생한 손상은 교량구조물 전체의 거동 특성을 변화시키고, 주요 부재들의 국부적 변형 및 파괴 등의 손상으로 확대될 수 있다. 또한, 교량구조물 전체의 사용성과 내구성을 저하시킬 수 있으므로, 이를 조기에 발견하고 대책을 수립할 수 있는 기술개발이 필요한 실정이다.In general, public investment in national infrastructure is one of the important factors for national economic development, and the need for more active maintenance is increasing. In particular, damage occurring inside the Bridge Deck Pavement changes the overall behavior of the bridge structure and can be extended to damage such as local deformation and destruction of major members. In addition, since the usability and durability of the entire bridge structure may be reduced, it is necessary to develop a technology that can detect it early and establish countermeasures.
이러한 교면포장의 내부결함(Internal Damage)을 탐상하기 위한 기존 비파괴 기술은 현장 적용에 있어서 제한적인 정보만을 제공하거나, 또는 교량구조물 전체에 적용할 경우 비경제적인 측면이 있기 때문에 이를 대체할 기술의 개발이 필요한 실정이다.The existing non-destructive technology for detecting internal damage of such a bridge pavement provides only limited information in field application or is uneconomical when applied to the entire bridge structure, so the development of an alternative technology is difficult. it is necessary.
특히, 교면포장 대상으로 가장 많이 사용되고 있는 전자기파(electro -magnetic waves)를 이용한 비파괴 기술의 경우, 전자기파는 역학적 파동과 다르게 매질 없이 유전체(dielectric)의 간섭 조건에 의하여 퍼져나가는 파동으로서, 이러한 특성으로 인해 공기 중에서 매질을 직접 접촉하지 않고도 가진 및 계측이 용이한 장점을 가지고 있다.In particular, in the case of non-destructive technology using electromagnetic waves, which is most often used for bridge pavement, electromagnetic waves, unlike mechanical waves, are waves that spread by interference conditions of a dielectric without a medium. It has the advantage of easy excitation and measurement without direct contact with the medium in the air.
이러한 교면포장에서 유전체의 반사계수를 크게 형성하여 반사파가 도달하게 하는 매질로서 내부에 배근된 철근과 수분이 있고, 이에 따라, 주로 안테나를 활용하여 스캐닝(Scanning)하는 기술인 GPR(Ground Penetration Radar)이 적용되고 있다. 하지만 이러한 전자기파를 이용한 비파괴 기술의 경우, 수분이 없다면 내부손상 계측이 용이하지 않다는 단점이 있다.In such a bridge pavement, as a medium for reflected waves to reach by forming a large reflection coefficient of the dielectric, there are reinforcing bars and moisture inside. Accordingly, GPR (Ground Penetration Radar), a scanning technology that mainly utilizes an antenna, is is being applied However, in the case of non-destructive technology using electromagnetic waves, there is a disadvantage that internal damage measurement is not easy if there is no moisture.
한편, 초음파(Ultrasonic Wave)는 전술한 전자기파와는 다른 역학적 파동(Mechanical Waves)의 한 종류로서, 매질의 물성, 예를 들면, 밀도(
하지만, 이러한 역학적 파동의 경우, 매질의 경계조건과 같은 여러 성질에 의해 간섭을 받기 때문에 교면포장과 같이 복합재료에 적용할 경우 많은 반사파를 발생시키게 된다.However, in the case of such a mechanical wave, it is interfered by various properties such as the boundary condition of the medium, so when applied to a composite material such as a bridge pavement, many reflected waves are generated.
그 결과 전자기파와 같이 반사파를 계측하여 내부결함을 찾아내는 펄스-에코(Pulse-Echo) 방식을 사용하는데 한계가 있다. 하지만, 역학적 파동은 전달되는 매질의 역학적 성질에 직접적인 관계가 있기 때문에 신호에 대한 해석 능력이 있다면 내부손상의 유무를 정확하게 판단할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라, 매우 복잡한 구조물에서 다양하게 유도되는 역학적 파동의 유도 초음파를 이론적으로 해석하여 결함을 확인하는 다양한 비파괴 기술이 개시되어 있다.As a result, there is a limit to using the pulse-echo method, which measures reflected waves like electromagnetic waves to find internal defects. However, since the mechanical wave is directly related to the mechanical properties of the transmitted medium, it has the advantage of being able to accurately determine the presence or absence of internal damage if the signal interpretation ability is available. Accordingly, various non-destructive techniques for identifying defects by theoretically analyzing guided ultrasound of mechanical waves induced in various ways in very complex structures have been disclosed.
한편, 교면포장의 사용성 측면에 있어서 사회적으로 가장 큰 문제가 되는 손상 유형으로 포트홀(Pothole)이 있다. 이러한 포트홀은 동결융해로 발생하는 가장 흔한 손상 형태로서 아스팔트-콘크리트 교면에 주로 발생하며 눈이나 비가 내린 다음에 많이 발생하는 특성을 가지고 있다.On the other hand, in terms of usability of the bridge pavement, there is a pothole as a type of damage that is the biggest social problem. These potholes are the most common form of damage caused by freezing and thawing, mainly occurring on asphalt-concrete bridges, and have a characteristic that occurs frequently after snow or rain.
이러한 포트홀의 발생 경로는 1차적으로 아스팔트 포장 레이어와 내부 콘크리트 구조체 레이어간의 계면에 발생하는 박리 형태의 내부손상에 의한다. 이때, 교면포장에 작용하는 지속적인 동적하중으로 인하여 내부 박리손상 범위는 하중을 주변 구조체에 전달하지 못하고 균열이 발생하며, 결과적으로 외부로 떨어져 나가게 된다. 특히, 장마철에 주로 발생하는 이유는 박리형태 내부손상으로 유입된 물이 외부로부터 작용하는 동적하중에 의하여 수압으로 작용하여 균열을 촉진시키게 된다.The path of occurrence of such a porthole is primarily due to internal damage in the form of exfoliation occurring at the interface between the asphalt pavement layer and the inner concrete structure layer. At this time, due to the continuous dynamic load acting on the bridge pavement, the internal peeling damage range does not transmit the load to the surrounding structure and cracks occur, and as a result, it falls off to the outside. In particular, the reason that it mainly occurs in the rainy season is that the water introduced through the peel-type internal damage acts as hydraulic pressure by the dynamic load acting from the outside to promote cracking.
따라서 아스팔트-콘크리트 교면포장의 표면을 직접 접촉하지 않고도 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 정보를 얻을 수 있는 경제적인 평가 방법이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for an economical evaluation method that can obtain information on the inside of the asphalt-concrete bridge pavement without direct contact with the surface of the asphalt-concrete bridge pavement.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상 평가를 위해서 비접촉 초음파를 활용하여 판상형 유도파를 발생시킨 후 누설파를 측정함으로써, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 표면을 직접 접촉하지 않고도 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 정보를 얻을 수 있는, 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.The technical task of the present invention to solve the above problems is to generate a plate-shaped guided wave using non-contact ultrasonic waves to evaluate the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement, and then measure the leakage wave. An object of the present invention is to provide an asphalt-concrete bridge bridge delamination damage evaluation system and method using non-contact ultrasonic waves, which can obtain information on the inside of the asphalt-concrete bridge pavement without direct contact with the surface of the pavement.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 내부 계측 데이터를 2차원 영상으로 시각화함으로써 박리손상 결함을 직관적으로 파악할 수 있는, 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.Another technical task to be achieved by the present invention is an asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasound that can intuitively identify delamination damage defects by visualizing the internal measurement data of the asphalt-concrete bridge pavement in a two-dimensional image, and to provide that method.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템은, 아스팔트-콘크리트 교면의 상부 표면으로부터 소정 거리 이격된 초음파 송신기 및 초음파 수신기를 각각 장착하는 초음파 측정장치 장착모듈; 초음파 가진기로서, 기설정된 가진 주파수에 따라 아스팔트-콘크리트 교면에 비접촉 초음파를 가진하는 초음파 송신기; 아스팔트-콘크리트 교면의 상부 표면으로부터 누설파를 계측하는 초음파 수신기; 및 상기 초음파 송신기 및 초음파 수신기와 전기적으로 연결되고, 상기 초음파 송신기의 가진 주파수를 설정하며, 상기 초음파 수신기가 계측한 데이터를 수집하여 2차원 고속퓨리에 변환을 수행하고, 판상형 유도파 구조해석 알고리즘에 따라 데이터를 처리 및 분석한 후, 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하는 제어단말을 포함하되, 상기 초음파 송신기로부터 가진된 초음파는 아스팔트-콘크리트 교면의 내부에 판상형 유도파를 발생시켜 전달하며, 상기 제어단말은 상기 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 2차원 영상으로 시각화하여 표시하는 것을 특징으로 한다.As a means for achieving the above-described technical problem, the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to the present invention is equipped with an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver spaced a predetermined distance from the upper surface of the asphalt-concrete bridge, respectively an ultrasonic measuring device mounting module; An ultrasonic exciter, comprising: an ultrasonic transmitter for excitation of non-contact ultrasonic waves on an asphalt-concrete bridge according to a preset excitation frequency; an ultrasonic receiver for measuring leakage waves from the upper surface of the asphalt-concrete bridge; and electrically connected to the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver, sets the excitation frequency of the ultrasonic transmitter, collects the data measured by the ultrasonic receiver, performs two-dimensional fast Fourier transform, and according to the plate-shaped guided wave structure analysis algorithm After processing and analyzing the data, it includes a control terminal that evaluates the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge, wherein the ultrasonic wave excited from the ultrasonic transmitter generates and transmits a plate-shaped guided wave inside the asphalt-concrete bridge, The control terminal is characterized by visualizing and displaying the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement as a two-dimensional image.
여기서, 상기 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 있을 경우, 표면파와 함께 대칭형(S1) 모드가 강하게 가진되고, 0.01[1/㎜]의 파수보다 작은 대칭형(S1) 모드가 계측될 수 있다.Here, when there is delamination damage inside the asphalt-concrete bridge, the symmetrical (S1) mode is strongly excited together with the surface wave, and the symmetrical (S1) mode smaller than the wave number of 0.01 [1/mm] can be measured.
여기서, 상기 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 없을 경우, 초음파 에너지가 표면파에 집중되고, 0.03[1/㎜]의 파수 근처에 에너지가 집중되어 표면파만 계측될 수 있다.Here, when there is no peeling damage inside the asphalt-concrete bridge, ultrasonic energy is concentrated on the surface wave, and energy is concentrated near a wave number of 0.03 [1/mm], so that only the surface wave can be measured.
여기서, 상기 제어단말은 여름철인 경우 상기 초음파 송신기의 가진 주파수를 최대 20㎑로 설정하고, 겨울철인 경우 상기 초음파 송신기의 가진 주파수를 최대 90㎑로 설정하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the control terminal sets the excitation frequency of the ultrasonic transmitter to a maximum of 20 kHz in summer, and sets the excitation frequency of the ultrasonic transmitter to a maximum of 90 kHz in winter.
여기서, 상기 초음파 측정장치 장착모듈에 장착된 상기 초음파 송신기 및 초음파 수신기와 아스팔트 상부 표면까지의 이격거리는 4㎝이고, 상기 초음파 송신기의 입사각은 5°로 조절되는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the separation distance between the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver mounted on the ultrasonic measuring device mounting module and the upper surface of the asphalt is 4 cm, and the incident angle of the ultrasonic transmitter is adjusted to 5°.
여기서, 상기 초음파 측정장치 장착모듈은, 2열 홈을 갖는 알루미늄 프레임으로서, 레일 형태로 제작되는 레일 모듈; 초음파 송신기 몰드와 체결되어 상기 레일 모듈을 따라 이동하는 제1 슬라이더; 초음파 수신기 몰드와 체결되어 상기 레일 모듈을 따라 이동하는 제2 슬라이더; 상기 제1 슬라이더와 체결되어 상기 초음파 송신기를 탑재하는 초음파 송신기 몰드; 및 상기 제2 슬라이더와 체결되어 상기 초음파 수신기를 탑재하는 초음파 수신기 몰드를 포함할 수 있다.Here, the ultrasonic measuring device mounting module, an aluminum frame having two rows of grooves, a rail module manufactured in the form of a rail; a first slider coupled to the ultrasonic transmitter mold to move along the rail module; a second slider coupled to the ultrasonic receiver mold to move along the rail module; an ultrasonic transmitter mold coupled to the first slider to mount the ultrasonic transmitter; and an ultrasonic receiver mold coupled to the second slider to mount the ultrasonic receiver.
여기서, 상기 초음파 송신기는 고전압을 알루미늄 판에 가진시켜 에너지를 공기 중으로 전달하는 정전식 초음파 가진기인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the ultrasonic transmitter is an electrostatic ultrasonic exciter that transmits energy to the air by excitation of a high voltage to the aluminum plate.
여기서, 상기 초음파 수신기는 적어도 8채널 이상의 다중채널의 MEMS 어레이로 구현될 수 있다.Here, the ultrasound receiver may be implemented as a multi-channel MEMS array of at least 8 channels.
여기서, 상기 제어단말은, 상기 초음파 송신기의 가진 주파수를 설정하는 가진 주파수 설정부; 상기 초음파 수신기가 계측한 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 상기 수집된 데이터에 대해 시간정보를 주파수정보로 변환하도록 2차원 고속퓨리에 변환을 수행하는 2차원 고속퓨리에 변환부; 상기 2차원 고속퓨리에 변환된 데이터를 판상형 유도파 구조해석 알고리즘 따라 처리 및 분석하는 데이터 처리 및 분석부; 및 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하여 2차원 영상으로 시각화하여 표시하는 박리손상 평가부를 포함할 수 있다.Here, the control terminal, the excitation frequency setting unit for setting the excitation frequency of the ultrasonic transmitter; a data collection unit for collecting data measured by the ultrasound receiver; a two-dimensional fast Fourier transform unit for performing a two-dimensional fast Fourier transform on the collected data to convert time information into frequency information; a data processing and analysis unit for processing and analyzing the two-dimensional fast Fourier-transformed data according to a plate-shaped guided wave structure analysis algorithm; And it may include a peeling damage evaluation unit that evaluates the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement and visualizes and displays it in a two-dimensional image.
여기서, 상기 판상형 유도파 구조해석 알고리즘은 아스팔트-콘크리트의 박리형태 내부손상을 분석하기 위한 것으로, 아스팔트 두께에 맞는 특정 주파수를 가진하고, 이에 대응하여 발생하는 초음파의 비평면 신호를 공중에서 측정함으로써 그 파동 모드를 분석할 수 있다.Here, the plate-shaped guided wave structural analysis algorithm is to analyze the internal damage in the form of exfoliation of asphalt-concrete, and it has a specific frequency suitable for the thickness of the asphalt, and measures the non-planar signal of the ultrasonic wave generated in response in the air. The wave mode can be analyzed.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법은, a) 초음파 측정장치 장착모듈에 장착된 초음파 송신기를 이용하여 아스팔트-콘크리트 교면포장 상에 비접촉 초음파를 가진시켜 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부에서 판상형 유도파를 발생시키는 단계; b) 초음파 수신기가 상기 판상형 유도파에 대응하는 누설파를 측정하는 단계; c) 제어단말이 상기 초음파 수신기로부터 데이터를 수집하는 단계; d) 상기 제어단말이 수집 데이터에 대한 2차원 고속퓨리에 변환을 수행하는 단계; e) 상기 제어단말이 판상형 유도파 구조해석 알고리즘에 따라 데이터를 처리 및 분석하는 단계; 및 f) 상기 제어단말이 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하는 단계를 포함하되, 상기 초음파 송신기로부터 가진된 초음파는 아스팔트-콘크리트 교면의 내부에 판상형 유도파를 발생시켜 전달하며, 상기 제어단말은 상기 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 2차원 영상으로 시각화하여 표시하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, as another means for achieving the above-described technical problem, the asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation method using non-contact ultrasonic waves according to the present invention is a) asphalt- using an ultrasonic transmitter mounted on an ultrasonic measuring device mounting module. Exciting non-contact ultrasonic waves on the concrete bridge pavement to generate plate-shaped guided waves inside the asphalt-concrete bridge pavement; b) measuring, by an ultrasonic receiver, a leakage wave corresponding to the plate-shaped guided wave; c) a control terminal collecting data from the ultrasonic receiver; d) performing, by the control terminal, a two-dimensional fast Fourier transform on the collected data; e) the control terminal processing and analyzing the data according to the plate-shaped guided wave structure analysis algorithm; and f) the control terminal evaluates the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement, wherein the ultrasonic wave excited from the ultrasonic transmitter generates and transmits a plate-shaped guided wave inside the asphalt-concrete bridge bridge, and the control The terminal visualizes and displays the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement as a two-dimensional image.
본 발명에 따르면, 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상 평가를 위해서 비접촉 초음파를 활용하여 판상형 유도파를 발생시킨 후 누설파를 측정함으로써, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 표면을 직접 접촉하지 않고도 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 정보를 얻을 수 있다.According to the present invention, for the evaluation of delamination damage inside the asphalt-concrete bridge pavement, by using non-contact ultrasonic waves to generate a plate-shaped guided wave and then measuring the leakage wave, the asphalt-concrete bridge pavement surface is not in direct contact with the asphalt-concrete pavement. Information on the inside of the bridge pavement can be obtained.
본 발명에 따르면, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 내부 계측 데이터를 2차원 영상으로 시각화함으로써 박리손상 결함을 직관적으로 파악함으로써 현장적용 가능성을 높일 수 있다.According to the present invention, by visualizing the internal measurement data of the asphalt-concrete bridge pavement as a two-dimensional image, it is possible to increase the field application possibility by intuitively grasping the peeling damage defect.
본 발명에 따르면, 콘크리트 구조물에 변형이나 손상을 가하지 않고 상시적으로 진단함으로써 연속적인 중장기 데이터 제공이 가능하며, 다유형 조건의 콘크리트 시험체에 대하여 초음파 신호, 내부 영상 이미지 등의 데이터를 확보하여 노후 인프라 시설물의 내부손상에 대한 정량적 데이터(내부손상 정도, 위치에 대한 시각적 정보 등)를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide continuous mid- to long-term data by continuously diagnosing without applying deformation or damage to the concrete structure, and by securing data such as ultrasonic signals and internal image images for concrete specimens under multi-type conditions, aging infrastructure Quantitative data on the internal damage of the facility (the degree of internal damage, visual information on the location, etc.) can be provided.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 구성도이다.
도 2는 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가를 위한 내부결함 유형을 나타내는 도면이다.
도 3은 판상형 매질에서 P파와 S파의 반사를 나타내는 도면이다.
도 4는 A모드와 S모드를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 아스팔트 상태별 발생 모드를 나타내는 도면이다.
도 6은 아스팔트-콘크리트 레이어 해석모델을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에 의한 실험을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 실제 실험을 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 초음파 송신기 및 초음파 수신기를 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 초음파 측정장치 장착모듈을 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 초음파 측정장치 장착모듈을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 유한요소해석 필드분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 누설파의 전달을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 이론식 해석 모드를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 유한요소해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 시험을 위해 아스팔트-콘크리트 실험체의 제작과정을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 실험체에 대해 계측된 데이터를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 실험체에 대한 데이터 분석을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 실험체에 대해 계측된 누설파 신호를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 아스팔트-콘크리트 계면 박리형태 내부결함 유무에 따른 주파수-파수의 해석차를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법의 동작흐름도이다.1 is a block diagram of an asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a view showing the type of internal defects for the evaluation of asphalt-concrete bridge delamination damage.
3 is a view showing the reflection of P wave and S wave in a plate-shaped medium.
4 is a diagram schematically illustrating the A mode and the S mode.
5 is a view showing the generation mode for each asphalt condition.
6 is a diagram illustrating an asphalt-concrete layer analysis model.
7 is a diagram schematically showing an experiment by an asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
8 is a photograph showing an actual experiment of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
9 is a view illustrating an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver in the asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
10 is a perspective view illustrating an ultrasonic measuring device mounting module in an asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
11 is a view specifically showing an ultrasonic measuring device mounting module in the asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
12 is a view showing the finite element analysis field analysis results in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
13 is a view for explaining the transmission of leakage waves in the asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
14 is a view showing a theoretical analysis mode in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
15 is a view showing the results of finite element analysis in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
16 is a view showing the manufacturing process of an asphalt-concrete specimen for testing in the asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
17 is a view showing data measured for a test specimen in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
18 is a diagram illustrating data analysis of a test specimen in an asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
19 is a view showing a leakage wave signal measured for a test object in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
20 is a view for explaining the difference in analysis of frequency-wavenumber according to the presence or absence of internal defects in the form of asphalt-concrete interfacial delamination in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
21 is an operation flowchart of an asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation method using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. In addition, terms such as “…unit” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.
[비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템][Asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 구체적인 구성도이다.1 is a detailed configuration diagram of an asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템(100)은, 초음파 측정장치 장착모듈(110), 초음파 송신기(120), 초음파 수신기(130) 및 제어단말(140)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , the asphalt-concrete bridge surface delamination
초음파 측정장치 장착모듈(110)은 초음파 송신기(120) 및 초음파 수신기(130)가 아스팔트-콘크리트 교면의 상부 표면으로부터 소정 거리 이격되도록 각각 장착한다. 후술하는 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 초음파 측정장치 장착모듈(110)은 레일 모듈(111), 제1 슬라이더(112), 제2 슬라이더(113), 초음파 송신기 몰드(114) 및 초음파 수신기 몰드(115)를 포함할 수 있다.The ultrasonic measuring
초음파 송신기(120)는 초음파 가진기로서, 아스팔트-콘크리트 교면의 상부 표면으로부터 소정거리 이격되도록 상기 초음파 측정장치 장착모듈(110)에 장착되며, 기설정된 가진 주파수에 따라 아스팔트-콘크리트 교면에 비접촉 초음파를 가진한다. 이때, 상기 초음파 송신기(120)로부터 가진된 초음파는 아스팔트-콘크리트 교면의 내부에 판상형 유도파를 발생시킨다.The
초음파 수신기(130)는 아스팔트-콘크리트 교면의 상부에 소정거리 이격되도록 상기 초음파 송신기(120) 위치에 대응하여 상기 초음파 측정장치 장착모듈(110)에 장착되며, 아스팔트-콘크리트 교면의 상부 표면으로부터 누설파를 계측한다. 예를 들면, 상기 초음파 수신기(130)는, 적어도 8채널의 다중채널의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)를) 어레이(Array)로 구현되며, 가급적 많은 채널의 MEMS 어레이로 구현되는 것이 바람직하며, 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템(100)에서 상기 초음파 수신기(130)가 8채널의 MEMS 어레이인 것으로 도시 및 설명되지만, 64채널의 MEMS 어레이로 구현되는 것이 바람직하다.The
제어단말(140)은 관리자 단말로서, 상기 초음파 송신기(120) 및 초음파 수신기(130)와 전기적으로 연결되며, 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 설정하며, 상기 초음파 수신기(130)가 계측한 데이터를 수집하여 2차원 고속퓨리에 변환을 수행하고, 판상형 유도파 구조해석 알고리즘에 따라 데이터를 처리 및 분석하고, 이후, 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하고, 2차원 영상으로 시각화하여 표시한다.The
구체적으로, 상기 제어단말(140)은 가진 주파수 설정부(141), 데이터 수집부(142), 2차원 고속퓨리에 변환부(143), 데이터 처리 및 분석부(144) 및 박리손상 평가부(145)를 포함한다.Specifically, the
상기 제어단말(140)의 가진 주파수 설정부(141)는 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 설정한다. 예를 들면, 상기 가진 주파수 설정부(141)는 여름철인 경우 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 최대 20㎑로 설정하고, 겨울철인 경우 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 최대 90㎑로 설정한다.The excitation
상기 제어단말(140)의 데이터 수집부(142)는 상기 초음파 수신기(130)가 계측한 데이터를 수집한다.The
상기 제어단말(140)의 2차원 고속퓨리에 변환부(143)는 상기 수집된 데이터에 대해 2차원 고속퓨리에 변환(FFT)을 수행한다. 구체적으로, 특정 샘플링 주파수로 시간축으로 분절되어 계측되는 신호를 공간축에서 다중 채널의 초음파 수신기(130)를 통하여 분절하여 측정함으로써, 시간-공간(time-space) 도메인의 데이터를 저장할 수 있다. 이때, 2차원 고속퓨리에 변환은 시간정보를 주파수정보로 변환하는 반면에, 공간에 대한 정보는 파장의 역수인 파수의 정보로 변환한다. 즉, 각 주파수마다 매질을 통과하는 속도가 다르기 때문에 주파수별 파수의 차이는 한 공간에서 초음파가 전파될 때 어떤 속도를 가지고 이동하는지를 역으로 알 수 있게 해준다.The two-dimensional fast
상기 제어단말(140)의 데이터 처리 및 분석부(144)는 상기 2차원 고속퓨리에 변환된 데이터를 판상형 유도파 구조해석 알고리즘(146)에 따라 처리 및 분석한다. 여기서, 상기 판상형 유도파 구조해석 알고리즘(146)은 아스팔트-콘크리트의 박리형태 내부손상을 분석하기 위한 것으로, 아스팔트 두께에 맞는 특정 주파수를 가진하고, 이에 대응하여 발생하는 초음파의 비평면(out-of-plane) 신호를 공중에서 측정함으로써 그 파동 모드를 분석할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 이론식 분석과 유한요소해석을 통하여 도출된 박리 형태의 내부손상에 민감한 S모드의 경우, 그 그룹속도가 매우 느리기 때문에 같은 주파수 범위에서 파수가 매우 작게 나타나는 것을 유추할 수 있다. 이에 따라, 주파수-파수 해석을 통하여 S모드의 에너지가 상대적으로 얼마만큼 가진되어 있는지를 해석할 수 있다.The data processing and
상기 제어단말(140)의 박리손상 평가부(145)는 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하여 2차원 영상으로 시각화하여 표시할 수 있다.The peeling
다시 말하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상 평가를 위해서 비접촉 초음파를 활용하여 판상형 유도파를 발생시킨 후, 누설파를 측정함으로써, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 표면을 직접 접촉하지 않고도 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 정보를 얻을 수 있다.In other words, according to the embodiment of the present invention, for the evaluation of peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement, by using non-contact ultrasonic waves to generate plate-shaped guided waves, and then measuring the leakage waves, the surface of the asphalt-concrete bridge pavement is measured. Information inside the asphalt-concrete bridge pavement can be obtained without direct contact.
여기서, 상기 판상형 유도파(Plate guided-wave)를 구체적으로 설명하면, 판상 형태에서 체적파(P파, S파)가 흐르게 되면 계면(Boundary)의 음향임피던스 차이에 의해 지속적인 반사파가 발생하며, 이러한 지속적인 반사파는 비대칭형(A 모드)과 대칭형(S 모드)의 주기적인 모드를 형성하게 된다.Here, if the plate guided wave is described in detail, when the volume wave (P wave, S wave) flows in the plate shape, a continuous reflected wave is generated due to the difference in acoustic impedance of the boundary, and such The continuous reflected wave forms periodic modes of asymmetrical (A mode) and symmetrical (S mode).
이에 따라, 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 있을 경우, 표면파와 함께 S1모드가 강하게 가진되는 것을 확인할 수 있었다. 예를 들면, 0.01[1/㎜]의 파수보다 작은 S1모드가 계측된다. 또한, 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 없을 경우, 초음파 에너지가 표면파에 집중됨을 확인할 수 있었다. 예를 들면, 0.03[1/㎜]의 파수 근처에 에너지가 집중되어 표면파만 계측된다.Accordingly, it was confirmed that the S1 mode was strongly excited together with the surface wave when there was delamination damage inside the asphalt-concrete bridge. For example, an S1 mode smaller than a wavenumber of 0.01 [1/mm] is measured. In addition, when there is no peeling damage inside the asphalt-concrete bridge, it was confirmed that the ultrasonic energy was concentrated on the surface wave. For example, energy is concentrated near a wave number of 0.03 [1/mm], and only surface waves are measured.
특히, 시뮬레이션과 실험적 검증을 통하여 초음파 S1모드 가진 여부를 확인함으로써 내부의 박리손상 유무를 판단할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 내부 계측 데이터를 2차원 영상으로 시각화함으로써 박리손상 결함을 직관적으로 파악함으로써 현장적용 가능성을 높일 수 있다.In particular, it is possible to determine the presence or absence of internal peeling damage by checking whether the ultrasonic S1 mode is present through simulation and experimental verification. That is, according to an embodiment of the present invention, by visualizing the internal measurement data of the asphalt-concrete bridge pavement as a two-dimensional image, it is possible to intuitively grasp the peeling damage defect, thereby increasing the possibility of field application.
이에 따라, 박리손상이 없을 때 표면파에 에너지가 집중되지만, 박리손상이 있을 때 판상형 유도파 발생 및 S1모드의 공기중 누설파를 검출하여 민감도를 확인할 수 있다.Accordingly, energy is concentrated on the surface wave when there is no peeling damage, but when there is peeling damage, it is possible to check the sensitivity by generating a plate-shaped guided wave and detecting the leakage wave in the air in S1 mode.
한편, 도 2는 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가를 위한 내부결함 유형을 나타내는 도면이다.On the other hand, Figure 2 is a view showing the type of internal defects for the evaluation of the delamination damage of asphalt-concrete bridges.
도 2에 도시된 바와 같이, 포장재인 아스팔트(20)와 구조체인 콘크리트(10) 형태의 교량에서 가장 문제가 되는 손상 유형으로서, 도면부호 A로 도시되는 아스팔트의 균열과 도면부호 B로 도시되는 아스팔트-콘크리트 계면 사이의 내부 박리형태 불연속면이 있다. 이 중에서 도면부호 B로 도시된 내부 박리형태 불연속면의 경우, 외부 관찰에 의한 결함 파악이 불가능하며, 지속적으로 방치하면 포트홀과 같은 외부 손상으로 이어지고 교량의 사용성 문제가 발생할 수 있고, 또한, 2차적인 인명손상까지 유발할 수 있다. 여기서, 도면부호 30은 방수층을 나타낸다.As shown in FIG. 2 , as the most problematic type of damage to a bridge in the form of
특히, 도면부호 B로 도시된 박리형태 손상은 추가적으로 콘크리트 교량 구조체에 내구성 문제를 야기할 가능성이 존재하기 때문에 조기 검출이 필수적이다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 아스팔트(20) 레이어와 콘크리트 바닥판(10) 레이어간의 박리 형태의 내부손상을 탐상하도록 비접촉 초음파를 활용한다.In particular, early detection is essential because there is a possibility that delamination type damage shown by reference numeral B may additionally cause durability problems in the concrete bridge structure. Accordingly, in the case of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system according to the embodiment of the present invention, non-contact ultrasonic waves are used to detect internal damage in the form of delamination between the
한편, 도 3은 판상형 매질에서 P파와 S파의 반사를 나타내는 도면이고, 도 4는 A모드와 S모드를 개략적으로 설명하기 위한 도면으로서, 박리 형태의 내부손상을 파악하기 위한 초음파 거동을 설명하기 위한 도면이다.On the other hand, Figure 3 is a view showing the reflection of the P wave and S wave in the plate-like medium, Figure 4 is a view for schematically explaining the A mode and the S mode, to explain the ultrasonic behavior for grasping the internal damage in the form of peeling is a drawing for
판상형 유도파는 아스팔트(20) 및 콘크리트(10)와 같은 두 이질적인 재료들이 판상 형태로 구성되어 있을 때 유도되는 파동의 특성을 나타내며, 기본적으로 체적파인 P파와 S파가 판상 형태에서 흐르게 되고, 이때, 상부면과 하부면의 음향임피던스(acoustic impedance) 차이에 의하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 지속적인 반사파가 발생하게 된다.The plate-shaped guided wave represents the characteristics of a wave induced when two disparate materials such as
결국, 수학적으로 각각의 경계조건을 만족시키기 위하여 지속적인 반사파는 주기적인 모드를 형성하게 되며, 판상 형태의 특수성 때문에 대칭형(Symmetric: S모드)과 비대칭형(Asymmetric: A모드)의 모드로 구분된다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, S모드는 판의 중심축을 기준으로 상부면과 하부면이 대칭적으로 변위를 갖게 되는 모드이며, 또한, A모드는 상부면과 하부면이 비대칭적인 변위를 갖는 모드이다. 이러한 모드의 파장 형태에 따라 각 모드들은 무한대의 차수를 갖는 모드들(S0, S1, S2 또는 A0, A1, A2 등)로 확장될 수 있다.Finally, in order to mathematically satisfy each boundary condition, the continuous reflected wave forms a periodic mode, and is divided into symmetric (S mode) and asymmetric (A mode) modes due to the peculiarity of the plate shape. For example, as shown in FIG. 4 , the S mode is a mode in which the upper and lower surfaces have symmetrical displacement with respect to the central axis of the plate, and the A mode is a mode in which the upper and lower surfaces are asymmetrical. It is a mode with displacement. Each mode may be extended to modes (S0, S1, S2 or A0, A1, A2, etc.) having an infinite order according to the wavelength shape of the mode.
한편, 비접촉 초음파에 의해 가진되는 주파수 성분에 따라 아스팔트-콘크리트 간의 판상 형태에서 발생하는 각각의 모드는 위상속도(
여기서,
즉, 램파(Lamb wave) 방정식의 분석을 통하여 재료의 물성치(P파속도 및 S파속도)와 판상 형태(두께)가 정해졌을 때, 파동의 주파수와 파수(또는 위상속도)와의 관계를 도출해낼 수 있다. That is, when the material properties (P wave velocity and S wave velocity) and the plate shape (thickness) are determined through the analysis of the Lamb wave equation, the relationship between the wave frequency and the wave number (or phase velocity) can be derived. .
본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 이러한 램파(Lamb wave)의 특징을 이용하여, 주어진 판상 형태 내에서 가진되는 주파수에 따라 파수정보를 도출한 후, 실제로 가진되는 모드를 측정하여 역으로 판상의 정보를 유출하는 작업을 수행한다. 즉, 이론식 분석을 통하여 아스팔트 교면에서 가진성(excitability)이 높은 모드에 대하여 조사한 후 해당 모드를 가진할 수 있는 주파수를 선정한다.In the case of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, wave number information was derived according to the frequency excitation within a given plate shape by using the characteristics of the lamb wave. After that, the actual excitation mode is measured and the plate information is leaked in reverse. That is, after investigating the mode with high excitability in the asphalt bridge through theoretical analysis, the frequency that can excite the mode is selected.
본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템(100)이 적용되는 아스팔트-콘크리트 교면포장의 경우, 표층이 4㎝ 두께를 갖는 판상형 구조를 갖는다. 이때, 아스팔트는 대표적인 점탄성(visco-elastic) 재료로서 온도에 따라 물성치의 큰 차이를 나타낸다. 즉, 온도가 높을 때 내부 점성이 높아지고 연성(soft) 재료의 성질을 보이는 반면에, 온도가 내려갔을 때 경성(hard) 재료로 변하게 된다. 즉, 여름철과 겨울철에 그 재료의 물성치가 변하는 만큼 다음의 표 1로 나타낸 것처럼 연성(soft)과 경성(hard) 재료의 체적파 속도를 달리 사용함으로써, 램파(Lamb wave) 방정식의 해를 분석할 수 있고, 또한, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템(1000의 경우, 아스팔트-콘크리트 레이어 해석모델은 아스팔트, 방수층(공기) 및 콘크리트에 대해 표 2로 나타낸 바와 같이 주어진다.In the case of the asphalt-concrete bridge surface pavement to which the asphalt-concrete bridge surface peeling
한편, 도 5는 아스팔트 상태별 발생 모드를 나타내는 도면이고, 도 6은 아스팔트-콘크리트 레이어 해석모델로서, 도 6의 a)는 손상 없는 아스팔트-콘크리트 레이어 해석모델을 나타내고, 도 6의 b)는 손상 있는 아스팔트-콘크리트 레이어 해석모델을 나타낸다.On the other hand, FIG. 5 is a view showing the generation mode for each asphalt condition, FIG. 6 is an asphalt-concrete layer analysis model, a) of FIG. 6 shows an asphalt-concrete layer analysis model without damage, and b) of FIG. 6 is a damaged An asphalt-concrete layer analysis model is shown.
도 5의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이, 4㎝ 두께의 판형 경계조건에서 발생하는 모드를 계산하여 그 주파수-파수 관계를 S모드(붉은색)와 A모드(파란색)로 각각 나타낸 값이다. 각 주파수와 파수는 램파(Lamb wave) 방적식의 이론해를 의미한다.As shown in a) and b) of Fig. 5, by calculating the mode occurring in the plate-shaped boundary condition of 4 cm thickness, the frequency-wavenumber relationship is expressed in S-mode (red) and A-mode (blue), respectively. to be. Each frequency and wave number means a theoretical solution of the Lamb wave equation.
분석 결과에 따르면, 성질이 다른 두 아스팔트의 경우, 각 모드의 주파수-파수 관계 분포가 매우 유사하다는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 가장 가진성이 높은 S1-ZGV의 주파수 구간이 여름철 아스팔트의 경우 약 15㎑인 것에 비하여 겨울철 아스팔트는 약 50㎑ 정도인 것으로 나타난다. 이에 따라, 추가적인 유한요소 분석을 통하여 검증할 박리형태 내부손상에 민감한 파동의 특성을 이해하기 위한 주파수 영역대는 연성(soft) 아스팔트의 경우, 도 5의 a)에 도시된 바와 같이, 최대 20㎑까지로 설정한 반면에, 경성(hard) 아스팔트의 경우, 도 5의 b)에 도시된 바와 같이, 90㎑로 설정하여 해석을 진행한다.According to the analysis results, in the case of two asphalts with different properties, it can be confirmed that the frequency-wavenumber relationship distribution of each mode is very similar. However, it appears that the frequency section of S1-ZGV with the highest excitability is about 50 kHz for winter asphalt, compared to about 15 kHz for summer asphalt. Accordingly, in the case of soft asphalt, in the case of soft asphalt, the frequency range is up to 20 kHz, as shown in Fig. 5 a), to understand the characteristics of the wave sensitive to internal damage in the form of exfoliation to be verified through additional finite element analysis. On the other hand, in the case of hard asphalt, as shown in FIG. 5 b), the analysis proceeds by setting it to 90 kHz.
한편, 비접촉 초음파에 의한 가진 주파수는 램파(Lamb wave) 방정식의 이론해를 통하여 분석한 결과를 토대로 여름철 아스팔트의 경우, 최대 20㎑의 성분을 갖는 신호를 사용하고, 실제 유한요소해석에서는 400㎑의 샘플링 주파수를 사용하여 2.5㎲ 간격으로 총 1ms의 신호를 설정한다. 또한, 겨울철 아스팔트의 경우, 최대 90㎑의 주파수 성분을 갖는 신호를 설정하고, 샘플링 주파수는 2㎒를 사용하여 0.5㎲ 간격으로 총 200㎲의 신호를 설정한다.On the other hand, the frequency of excitation by non-contact ultrasonic wave is based on the analysis result of the theoretical solution of the Lamb wave equation. In the case of summer asphalt, a signal with a component of up to 20 kHz is used, and in the actual finite element analysis, it is 400 kHz. Using the sampling frequency, a total of 1ms signal is set at 2.5㎲ intervals. In addition, in the case of winter asphalt, a signal having a maximum frequency component of 90 kHz is set, and a sampling frequency of 2 MHz is used to set a total signal of 200 µs at 0.5 µs intervals.
이때, 샘플링 주파수는 나이퀴스트(Nyquist) 주파수를 고려하면서도 총 가진신호의 수를 401개로 맞춰서 신호의 길이를 동일하게 설정한다. 또한, 주파수를 각 신호의 길이에 맞게 스위핑(sweeping)함으로써 가진 주파수내의 모든 성분이 최대한 일정한 에너지를 갖도록 조절한다. 이때, 가진 신호는 비대칭(axisymmetric) 모델을 사용하여 좌우 대칭 형태로 가정하여 해석하며, 가진 범위로부터 50㎜ 이후 2.5㎜ 간격으로 151개의 가속도 데이터를 평면(in-plane)과 비평면(out-of-plane)의 형태로 받아서 모드 분석을 진행한다. 이때, 해석모델의 설정은 박리형태 손상이 있을 때와 없을 때로 구분하며, 손상 형태는 물과 공기층의 두 형태로 나누어, 도 6의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이 각각 설정할 수 있고, 이때, 물의 밀도는 1000㎏/㎥을 사용하여 P파의 속도를 1500m/s로 설정한다.At this time, the sampling frequency is set to the same length of the signal by setting the total number of excitation signals to 401 while considering the Nyquist frequency. In addition, by sweeping the frequency according to the length of each signal, all components within the excitation frequency are adjusted to have the maximum constant energy. At this time, the excitation signal is analyzed assuming a left-right symmetric form using an axisymmetric model, and 151 acceleration data are analyzed in-plane and out-of at intervals of 2.5 mm after 50 mm from the excitation range. -plane) and proceed with mode analysis. At this time, the setting of the analysis model is divided into the presence and absence of peeling type damage, and the damage type is divided into two types of water and air layer, and can be set respectively as shown in a) and b) of FIG. 6 , at this time , set the speed of the P wave to 1500 m/s using 1000 kg/m3 for the density of water.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에 의한 실험을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 실제 실험을 나타내는 사진이다.On the other hand, FIG. 7 is a diagram schematically showing an experiment by an asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a non-contact ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention. It is a photograph showing the actual experiment of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system.
본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 8채널 보다 많은 계측 데이터가 필요하기 때문에 초음파 수신기(130)인 MEMS 어레이를 순차적으로 이동시키며, 예를 들면, 5㎜ 간격으로 총 24개의 신호 데이터를 얻도록 구성한다.In the case of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7 , since more measurement data than at least 8 channels are required, the
구체적인 실험 과정으로서, 먼저, 비접촉 초음파 가진기인 초음파 송신기(120)와 MEMS 어레이인 초음파 수신기(130)인 사이에 음향 칸막이(150)를 배치한 후 측정을 시작한다. 주변 환경에서 발생할 수 있는 랜덤 노이즈를 제거하기 위하여 시간 평균화(time averaging)을 100번 적용하며, 하나의 계측 위치에서 수행한 총 계측시간은 약 20초로 주어진다. 이후, 비접촉 초음파 송신기(120)를 고정시킨 후 초음파 수신기(130)만 이동하여 같은 방법으로 누설파를 측정한다. 이때, 총 2개의 각기 다른 실험체에서 박리형태 내부결함을 모사한 부분과 아닌 부분에 대하여 실험을 반복 수행한다.As a specific experimental procedure, first, the
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 초음파 송신기 및 초음파 수신기를 예시하는 도면이다.Meanwhile, FIG. 9 is a diagram illustrating an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
일반적인 접촉식 초음파 가진기에 가장 많이 사용되는 PZT-4재료를 사용할 경우, 공기와의 음향 임피던스 차이로 인하여 거의 모든 에너지를 효율적으로 전달할 수 없게 된다. 더욱이 아스팔트 혹은 콘크리트와 같은 복합재료와 공기의 음향 임피던스 차이로 인하여 이차적인 에너지 손실이 발생하게 된다. 이에 따라, 도 9의 a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에 사용하는 비접촉 초음파 송신기(120)는 정전식(electrostatic type)으로, 기존의 PZT(피에조) 재료를 기반으로 한 센서보다 효율적인 에너지 전달구조를 갖고 있다. 예를 들면, 상기 비접촉 초음파 송신기(120)로 사용한 제품은 Senscomp사의 PID-615089이며, 400볼트의 고전압을 특수하게 설계된 알루미늄 판에 가진시킴으로써 많은 양의 에너지를 공기 중으로 전달할 수 있다. 다만, 가진 주파수가 알루미늄 판의 형상에 맞추어져 있기 때문에 50㎑의 좁은 주파수만을 가진할 수 있다는 단점이 있다. 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 수행한 유한요소해석과 실제 실험체의 P파 속도를 고려할 때, 50㎑의 주파수 대역은 박리형태 내부손상에서 S모드를 가진할 수 있을 것으로 판된되어 실제 실험에 적용한다.In the case of using the PZT-4 material, which is most often used in a general contact ultrasonic vibrator, almost all energy cannot be efficiently transmitted due to the difference in acoustic impedance with air. Furthermore, secondary energy loss occurs due to the difference in acoustic impedance of air and composite materials such as asphalt or concrete. Accordingly, as shown in FIG. 9 a), the non-contact
또한, 도 9의 b)에 도시된 바와 같이, 비접촉 초음파를 계측하기 위한 초음파 수신기(130)는 8개의 MEMS 센서를 일렬로 배치하고, 각각 증폭회로와 함께 어레이를 구성하며, 이때, 각각의 어레이 센서간의 간격은 5㎜일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.In addition, as shown in FIG. 9 b), the
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 초음파 측정장치 장착모듈을 나타내는 사시도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 초음파 측정장치 장착모듈을 구체적으로 나타내는 도면이다.On the other hand, Figure 10 is a perspective view showing an ultrasonic measuring device mounting module in the asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, and Figure 11 is a non-contact ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention. It is a diagram specifically showing an ultrasonic measuring device installation module in an asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템(100)에서 초음파 측정장치 장착모듈(110)은 레일 모듈(111), 제1 슬라이더(112), 제2 슬라이더(113), 초음파 송신기 몰드(114) 및 초음파 수신기 몰드(115)를 포함한다.Referring to FIG. 10 , in the asphalt-concrete bridge surface peeling
본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템(100)에 적용되는 초음파 측정장치 장착모듈(110)은 상기 초음파 송신기(120)와 초음파 수신기(130)의 휴대성과 높낮이, 간격 조절을 보다 쉽게 하기 위한 것이다.The ultrasonic measuring
먼저, 초음파 송신기(120)와 초음파 수신기(130)를 레일 모듈(111)에 적용할 수 있도록 제1 및 제2 슬라이더(112, 113)와 초음파 송신기(120), 초음파 수신기(130)인 8채널 MEMS 어레이(130)에 적합한 3D 모델링을 진행한 후 3D 프린터로 출력하여 제작한다. 이때, 상기 레일 모듈(111)의 경우, 2열 홈을 갖는 알루미늄 프레임으로서, 제1 및 제2 슬라이더(112, 113)가 소정의 수평방향의 이동거리 및 수직방향의 이동거리를 갖도록 레일 형태로 제작한다.First, the first and
제1 및 제2 슬라이더(112, 113)의 경우, 알루미늄 레일 모듈(111)의 두께에 적합하도록 제작한다. 이때, 상기 제1 슬라이더(112)는 초음파 송신기 몰드(114)와 체결되어 상기 레일 모듈(111)을 따라 이동하며, 상기 제2 슬라이더(112)는 초음파 수신기 몰드(115)와 체결되어 상기 레일 모듈(111)을 따라 이동한다.The first and
초음파 송신기 몰드(114)의 경우, 제1 슬라이더(112)와 체결되어 초음파 송신기(120)를 탑재하고, 초음파 수신기 몰드(115)의 경우, 제2 슬라이더(113)와 체결되어 초음파 수신기(130)를 탑재한다.In the case of the
구체적으로, 전술한 도 7 및 도 8을 참조하면, 비접촉 초음파 계측 실험으로서, 아스팔트-콘크리트 시편 위로 제작한 초음파 측정장치 장착모듈(110)을 배치한 후, 누설파 신호를 측정한다. 이때, 계측 프로그램은, 예를 들면, Labview signal express를 이용할 수 있으며, 샘플링 개수는 2000, 샘플링 주파수는 2㎒로 설정한다. 이때, 계산된 나이퀴스트(Nyquist) 주파수는 1㎒로서 50㎑ 대역의 가진 주파수를 계측하기에 문제가 없도록 설계한다.Specifically, referring to FIGS. 7 and 8 described above, as a non-contact ultrasonic measurement experiment, after the ultrasonic measuring
또한, 공기 중으로 직접 전파되는 음파로 인한 간섭 현상을 줄이면서 누설파의 파장을 더 계측하기 위하여 결 방향이 각각 다른 층으로 구성된 나무토막을 음향 칸막이(acoustic baffle)로서 비접촉 초음파 송신기(120)와 초음파 수신기(130) 사이에 배치한다. 이때, 비접촉 초음파 송신기(120)의 입사각은 5°로 조절되며, 특히, 아스팔트에서 누설파를 발생시키기 위한 최적의 임계각을 설정하며, 상기 초음파 송신기(120) 및 초음파 수신기(130)와 아스팔트 상부 표면까지의 거리는 4㎝로 설정하여 실험을 수행한다.In addition, in order to further measure the wavelength of the leakage wave while reducing the interference caused by the sound wave propagating directly into the air, a wooden block composed of layers with different grain directions is used as an acoustic baffle with the non-contact
본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상 평가를 위해서 비접촉 초음파를 활용하여 판상형 유도파를 발생시킨 후, 누설파를 측정함으로써, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 표면을 직접 접촉하지 않고도 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 정보를 얻을 수 있다. 또한, 아스팔트-콘크리트 교면포장의 내부 계측 데이터를 2차원 영상으로 시각화함으로써 박리손상 결함을 직관적으로 파악함으로써 현장적용 가능성을 높일 수 있다.In the case of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, a plate-shaped guided wave is generated using non-contact ultrasonic waves to evaluate the delamination damage inside the asphalt-concrete bridge surface pavement, and then the leakage wave By measuring , information on the inside of the asphalt-concrete bridge pavement can be obtained without direct contact with the surface of the asphalt-concrete bridge pavement. In addition, by visualizing the internal measurement data of the asphalt-concrete bridge pavement as a two-dimensional image, the possibility of field application can be increased by intuitively identifying peeling damage defects.
[아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시뮬레이션][Asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation simulation]
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 유한요소해석 필드분석 결과를 나타내는 도면이다.12 is a view showing the finite element analysis field analysis results in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 판상형 유도파의 이론식 분석과 다중 판상형 구조에서의 유한요소해석을 통하여 박리형태 내부손상의 유무에 따른 초음파의 모드를 분석할 수 있다. 예를 들면, 도 12의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이, 두 가지 다른 조건에서의 파동의 흐름에 대한 유한요소해석 필드분석을 수행할 수 있다.In the case of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to the embodiment of the present invention, the ultrasonic wave according to the presence or absence of delamination type internal damage through the theoretical analysis of plate-shaped guided waves and finite element analysis in multi-plate-shaped structures mode can be analyzed. For example, as shown in a) and b) of FIG. 12, finite element analysis field analysis can be performed on the flow of waves under two different conditions.
도 12의 a)에 도시된 바와 같이, 박리형태 손상이 없는 경우, 모든 에너지가 표면파에 집중되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 도 12의 b)에 도시된 바와 같이, 박리형태 손상이 있는 경우, 파동의 에너지가 아스팔트 레이어 내부에서 공진현상을 일으키며 S모드의 가진이 보다 많이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 파동 모드의 차이를 확인함으로써 박리형태 손상의 유무를 용이하게 판단할 수 있다.As shown in a) of FIG. 12 , it can be confirmed that all energy is concentrated on the surface wave when there is no peel-type damage. However, as shown in b) of FIG. 12 , it can be confirmed that, when there is a peel-type damage, the energy of the wave causes a resonance phenomenon inside the asphalt layer, and the excitation of the S-mode occurs more. By confirming the difference in the wave mode, it is possible to easily determine the presence or absence of damage in the peeling form.
한편, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 누설파의 전달을 설명하기 위한 도면이다.Meanwhile, FIG. 13 is a view for explaining the transmission of leak waves in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 비접촉 초음파를 사용하여 공기층에서 초음파를 계측할 때 공기 중에는 아스팔트 레이어 내부에서 발생하는 파동모드의 누설파가 발생하게 되며, 이런 누설파는 내부 레이어에서 발생하는 파동모드와 이론적으로 동일한 특징을 가지고 있다. 따라서 유한요소해석을 통하여 나타나는 강한 S모드의 가진은 공기 중에서도 계측할 수 있다.13, in the case of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to the embodiment of the present invention, when ultrasonic waves are measured in the air layer using non-contact ultrasonic waves, it occurs inside the asphalt layer in the air A leakage wave of a wave mode is generated, and this leakage wave has the same characteristics as the wave mode generated in the inner layer in theory. Therefore, the strong S-mode excitation shown through finite element analysis can be measured even in air.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 판상형 유도파 구조해석 알고리즘에 따르면, 아스팔트 두께에 적합한 특정 주파수를 가진하고, 이때 발생하는 초음파의 비평면(out-of-plane) 신호를 공중에서 측정함으로써 그 파동 모드를 분석할 수 있다.Accordingly, according to the plate-shaped guided wave structure analysis algorithm according to the embodiment of the present invention, it has a specific frequency suitable for the thickness of the asphalt and measures the out-of-plane signal of the ultrasonic wave generated at this time in the air. The wave mode can be analyzed.
한편, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 이론식 해석 모드를 나타내는 도면이며, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 유한요소해석 결과를 나타내는 도면이다.On the other hand, FIG. 14 is a view showing a theoretical analysis mode in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, and FIG. 15 is asphalt using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention. - It is a diagram showing the results of finite element analysis in the concrete bridge surface delamination damage evaluation system.
본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 이론식 해석 모드는 도 14에 도시된 바와 같이, 주어지고, 또한, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서, 박리손상이 없을 때의 유한요소해석 결과는 도 15의 a)와 같이 나타나고, 또한, 박리손상이 있을 때의 유한요소해석 결과는 도 15의 b)와 같이 나타낸다.In the case of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, the theoretical analysis mode is given as shown in FIG. 14, and also non-contact ultrasonic waves according to the embodiment of the present invention In the applied asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system, the finite element analysis result when there is no delamination damage is shown as a) of FIG. 15, and the finite element analysis result when there is delamination damage is shown in FIG. 15 b) is shown as
[아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 실험][Asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation test]
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 시험을 위해 아스팔트-콘크리트 실험체의 제작과정을 나타내는 도면이다.16 is a view showing the manufacturing process of an asphalt-concrete specimen for testing in the asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
도 16의 a) 내지 c)는 무수형태의 박리형태 내부손상을 표현하기 위해서 베어링용 그리스를 선택하여 무수형태의 박리를 표현하는 아스팔트-콘크리트 실험체 제작과정을 나타내며, 구체적으로. 도 16의 a) 에 도시된 콘크리트 시편 상부에 거푸집을 제작한 후, 도 16의 b)에 도시된 바와 같이, 콘크리트 시편 면적의 ㅍ에 해당하는 면에 그리스를 도포하며, 이후, 도 16의 c)에 도시된 바와 같이, 표층이 4㎝가 되도록 아스팔트를 콘크리트 시편에 타설한 후 도막과 망치를 사용하여 아스팔트 표면을 다짐함으로써, 아스팔트-콘크리트 실험체를 제작한다.16 a) to c) show the process of manufacturing an asphalt-concrete test specimen expressing anhydrous type peeling by selecting a bearing grease in order to express an anhydrous type peeling type internal damage, specifically. After manufacturing a formwork on the upper part of the concrete specimen shown in a) of FIG. 16, grease is applied to the surface corresponding to p of the concrete specimen area as shown in b) of FIG. 16, and then, c in FIG. As shown in ), the asphalt is poured on the concrete specimen so that the surface layer is 4 cm, and then the asphalt surface is compacted using a paint film and a hammer, to produce an asphalt-concrete specimen.
한편, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 실험체에 대해 계측된 데이터를 나타내는 도면이고, 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 실험체에 대한 데이터 분석을 나타내는 도면이다.On the other hand, Figure 17 is a view showing the data measured for the specimen in the asphalt-concrete bridge surface peeling damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, and Figure 18 is a non-contact ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing the data analysis of the specimen in the applied asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system.
도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 전술한 아스팔트-콘크리트 실험체에 대해 초음파 수신기(130)로부터 측정된 데이터를 수집하는 것을 나타내며, 즉, 제어단말(140)의 데이터 수집부(142)가 누설파 데이터를 수집한다. 이후, 2차원 고속퓨리에 변환(FFT)이 수행된다.17, in the case of the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, data measured from the
또한, 2차원 고속퓨리에 변환이 수행된 데이터에 대해, 제어단말(140)의 데이터 처리 및 분석부(144)는 도 18에 도시된 바와 같이, 데이터를 분석할 수 있다. 구체적으로, 이론적인 모드의 가진성은 파동의 그룹속도(Group velocity)가 낮을 때 크게 나타나며, 또한, 그룹속도는 주파수-파수(f-k)의 관계식에서 기울기가 0으로 수렴하는 구간(zero group velocity: ZGV)에서 나타난다. 가장 많이 사용되는 그룹속도 0인 구간은 S1모드로서 다른 가진성이 높은 모드보다 낮은 주파수대역에서 발생하기 때문에 계측에 유리하다. 따라서 주어진 조건 하에 램파(Lamb wave) 방정식에서 주파수와 파수의 상관정보를 알아낸 후에 S1-ZGV 구간을 확인할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 18 , the data processing and
한편, 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 실험체에 대해 계측된 누설파 신호를 나타내는 도면이며, 도 20은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에서 아스팔트-콘크리트 계면 박리형태 내부결함 유무에 따른 주파수-파수의 해석차를 설명하기 위한 도면이다.On the other hand, Figure 19 is a view showing the leakage wave signal measured for the test object in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, Figure 20 is a contact according to an embodiment of the present invention It is a diagram to explain the analysis difference of frequency-wave number according to the presence or absence of internal defects in the form of delamination of asphalt-concrete interface in the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using ultrasonic waves.
본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템의 경우, 도 19에 도시된 바와 같이, 비접촉 초음파 수신기(13)를 통해 계측된 누설파를 대상으로 주파수-파수 해석을 진행하며, 구체적인 판상형 유도파 구조해석 알고리즘의 적용 과정은 다음과 같다.In the case of the asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 19 , frequency-wave number analysis for leak waves measured through the non-contact ultrasonic receiver 13 The process of applying the specific plate-shaped guided wave structure analysis algorithm is as follows.
도 19에 도시된 바와 같이, 총 24개의 계측된 누설파 신호를 분절된 시간(2㎳/s)과 공간(5㎜) 간격으로 시간-공간 매트릭스로 저장한 후, 2차원 고속퓨리에 변환을 적용하여 주파수-파수 정보로 전환한다. 이때, 사용된 샘플링을 기반으로 계산된 나이퀴스트(Nyquist) 주파수는 1㎒이며, 나이퀴스트 파수는 0.1㎜이다.As shown in FIG. 19, a total of 24 measured leaky wave signals are stored as a time-space matrix at segmented time (2 ms/s) and space (5 mm) intervals, and then a two-dimensional fast Fourier transform is applied. to convert it into frequency-wavenumber information. At this time, the Nyquist frequency calculated based on the sampling used is 1 MHz, and the Nyquist wave number is 0.1 mm.
이후, 2차원 공간에서 해당 나이퀴스트 주파수 범위 내의 정보를 유효한 것으로 판단하여 해석을 수행하며, 이때, 주파수-파수로 변환한 데이터의 에너지를 분명하게 확인하기 위하여 전력(power) 형태의 에너지를 최댓값으로 정규화(normalized)하여 나타낼 수 있다. 즉, 가진 주파수인 50㎑ 대역에서 가장 많은 에너지를 가지고 있는 파수 영역만 분명하게 나타나도록 설정할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 판상형 유도파 구조해석 알고리즘을 적용하여 박리형태 내부결함 유무에 따른 차이를 나타낼 수 있다Thereafter, the analysis is performed by determining that information within the corresponding Nyquist frequency range in the two-dimensional space is valid, and at this time, the maximum value of energy in the form of power to clearly confirm the energy of the data converted into frequency-wave numbers It can be expressed by normalizing to . That is, it can be set so that only the wavenumber region having the most energy in the 50 kHz band, which is the excitation frequency, appears clearly. Accordingly, by applying the plate-shaped guided wave structure analysis algorithm according to the embodiment of the present invention, the difference according to the presence or absence of internal defects in the delamination type can be indicated.
이에 따라, 주파수-파수 해석 결과에 따르면, 가진된 50㎑의 대역에서 S모드의 가진 여부를 판단할 수 있고, 이때, 박리형태 내부손상을 모사하지 않은 부분의 경우, 도 20의 a)에 도시된 바와 같이, 대부분의 에너지가 0.03(1/㎜)의 파수근처에 집중되어 표면파만 계측되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 박리형태 내부손상을 모사한 부분에서 해석한 결과, 도 20의 b)에 도시된 바와 같이, 0.01(1/㎜)의 파수보다 작은 S모드의 가진을 분명하게 확인할 수 있다. 이것은 유한요소해석을 통하여 예측한 것과 동일하게 박리손상이 판상 형태의 파동흐름에 있어서 경계조건을 변화시켜 많은 반사파를 발생시키기 때문이라는 것을 알 수 있다.Accordingly, according to the frequency-wavenumber analysis result, it can be determined whether the S-mode is excited in the excited 50 kHz band, and at this time, in the case of the part that does not simulate the internal damage of the peeling type, it is shown in a) of FIG. As shown, it can be confirmed that most of the energy is concentrated near a wave number of 0.03 (1/mm) and only the surface wave is measured. However, as a result of the analysis in the portion simulating the internal damage of the peeling type, as shown in FIG. 20 b), it can be clearly confirmed that the S-mode excitation is smaller than the wave number of 0.01 (1/mm). It can be seen that this is because, as predicted through finite element analysis, delamination damage generates many reflected waves by changing the boundary conditions in the plate-shaped wave flow.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템에 따르면, 램파(Lamb wave) 방정식의 이론해 분석과 유한요소해석을 통한 다중 판상형 구조해석 결과 및 비접촉 초음파를 적용하여 실험적으로 얻은 결과를 비교하고, 이러한 실험적 검증을 통하여 판상형 유도파 구조해석 알고리즘을 검증할 수 있으며, 전술한 바와 같이 제작된 4㎝ 두께의 아스팔트 포장 실험체에서, 예를 들면, 25㎝×50㎝ 크기의 박리형태 내부결함의 유무를 2차원 영상을 시각적으로 용이하게 확인할 수 있다.After all, according to the asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention, multiple plate-shaped structural analysis results and non-contact ultrasonic waves through theoretical solution analysis and finite element analysis of the Lamb wave equation Comparing the experimentally obtained results by applying it, the plate-shaped guided wave structure analysis algorithm can be verified through this experimental verification, and in the 4 cm thick asphalt pavement specimen prepared as described above, for example, 25 cm × 50 The presence or absence of internal defects in the peel-off type with a size of cm can be easily confirmed visually with a two-dimensional image.
[비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법][Method for evaluating delamination damage of asphalt-concrete bridge using non-contact ultrasonic wave]
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법의 동작흐름도이다.21 is an operation flowchart of a method for evaluating asphalt-concrete bridge surface peeling damage using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
도 21을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법은, 먼저, 초음파 측정장치 장착모듈(110)에 장착된 초음파 송신기(120)를 이용하여 아스팔트-콘크리트 교면포장 상에 비접촉 초음파를 가진시킴으로써 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부에서 판상형 유도파를 발생시킨다(S110). 여기서, 상기 초음파 송신기(120)는 고전압을 알루미늄 판에 가진시켜 많은 양의 에너지를 공기 중으로 전달하는 정전식(elactrostatic type) 초음파 가진기인 것이 바람직하며, 또한, 상기 초음파 수신기(130)는 적어도 8채널 이상의 다중채널의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 어레이(Array)로 구현될 수 있다. 또한, 상기 초음파 측정장치 장착모듈(110)에 장착된 상기 초음파 송신기(120) 및 초음파 수신기(130)와 아스팔트 상부 표면까지의 이격거리는 4㎝이고, 상기 초음파 송신기(120)의 입사각은 5°로 조절되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제어단말(140)은 여름철인 경우 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 최대 20㎑로 설정하고, 겨울철인 경우 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 최대 90㎑로 설정할 수 있다. Referring to FIG. 21 , the method for evaluating asphalt-concrete bridge surface peeling damage using non-contact ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention is first, using the
다음으로, 다중채널 MEMS 어레이 형태의 초음파 수신기(130)가 상기 판상형 유도파에 대응하는 누설파를 측정한다(S120).Next, the multi-channel MEMS array type
다음으로, 제어단말(140)이 상기 초음파 수신기(130)로부터 데이터를 수집한다(S130). Next, the
다음으로, 상기 제어단말(140)이 수집 데이터에 대한 2차원 고속퓨리에 변환을 수행한다(S140).Next, the
다음으로, 상기 제어단말(140)이 판상형 유도파 구조해석 알고리즘에 따라 데이터를 처리 및 분석한다(S150). 여기서, 상기 판상형 유도파 구조해석 알고리즘(146)은 아스팔트-콘크리트의 박리형태 내부손상을 분석하기 위한 것으로, 아스팔트 두께에 맞는 특정 주파수를 가진하고, 이에 대응하여 발생하는 초음파의 비평면(out-of-plane) 신호를 공중에서 측정함으로써 그 파동 모드를 분석할 수 있다.Next, the
다음으로, 상기 제어단말(140)이 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하여 2차원 영상으로 시각화하여 표시한다(S16).Next, the
이에 따라, 상기 초음파 송신기(120)로부터 가진된 초음파는 아스팔트-콘크리트 교면의 내부에 판상형 유도파(Plate guided-wave)를 발생시켜 전달하며, 상기 제어단말(140)은 상기 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 2차원 영상으로 시각화하여 표시할 수 있다.Accordingly, the ultrasonic wave excited from the
예를 들면, 상기 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 있을 경우, 표면파와 함께 대칭형(S1) 모드가 강하게 가진되고, 0.01[1/㎜]의 파수보다 작은 대칭형(S1) 모드가 계측될 수 있다. 또한, 상기 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 없을 경우, 대부분의 초음파 에너지가 표면파에 집중되고, 0.03[1/㎜]의 파수 근처에 에너지가 집중되어 표면파만 계측될 수 있다.For example, if there is delamination damage inside the asphalt-concrete bridge, the symmetrical (S1) mode is strongly excited together with the surface wave, and the symmetrical (S1) mode smaller than the wave number of 0.01 [1/mm] can be measured. . In addition, when there is no peeling damage inside the asphalt-concrete bridge, most of the ultrasonic energy is concentrated on the surface wave, and energy is concentrated near a wave number of 0.03 [1/mm], so that only the surface wave can be measured.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 콘크리트 구조물에 변형이나 손상을 가하지 않고 상시적으로 진단함으로써 연속적인 중장기 데이터 제공이 가능하며, 다유형 조건의 콘크리트 시험체에 대하여 초음파 신호, 내부 영상 이미지 등의 데이터를 확보하여 노후 인프라 시설물의 내부손상에 대한 정량적 데이터(내부손상 정도, 위치에 대한 시각적 정보 등)를 제공할 수 있다.After all, according to an embodiment of the present invention, continuous mid- to long-term data can be provided by continuously diagnosing without applying deformation or damage to the concrete structure, and data such as ultrasound signals and internal image images for concrete specimens under multiple conditions It is possible to provide quantitative data on internal damage (degree of internal damage, visual information on location, etc.) on the internal damage of old infrastructure facilities.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.
100: 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템
110: 초음파 측정장치 장착모듈
120: 초음파 송신기(초음파 가진기)
130: 초음파 수신기(MEMS 어레이)
140: 제어단말
111: 레일 모듈 112: 제1 슬라이더
113: 제2 슬라이더 114: 초음파 송신기 몰드
115: 초음파 수신기 몰드 141: 가진 주파수 설정부
142: 데이터 수집부(DAQ) 143: 2차원 고속퓨리에 변환부
144: 데이터 처리 및 분석부 145: 박리손상 평가부100: Asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system
110: ultrasonic measuring device mounting module
120: ultrasonic transmitter (ultrasonic exciter)
130: ultrasonic receiver (MEMS array)
140: control terminal
111: rail module 112: first slider
113: second slider 114: ultrasonic transmitter mold
115: ultrasonic receiver mold 141: excitation frequency setting unit
142: data acquisition unit (DAQ) 143: two-dimensional fast Fourier transform unit
144: data processing and analysis unit 145: peel damage evaluation unit
Claims (18)
초음파 가진기로서, 기설정된 가진 주파수에 따라 아스팔트-콘크리트 교면에 비접촉 초음파를 가진하는 초음파 송신기(120);
아스팔트-콘크리트 교면의 상부 표면으로부터 누설파를 계측하는 초음파 수신기(130); 및
상기 초음파 송신기(120) 및 초음파 수신기(130)와 전기적으로 연결되고, 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 설정하며, 상기 초음파 수신기(130)가 계측한 데이터를 수집하여 2차원 고속퓨리에 변환을 수행하고, 판상형 유도파 구조해석 알고리즘(146)에 따라 데이터를 처리 및 분석한 후, 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하는 제어단말(140)을 포함하되,
상기 초음파 송신기(120)로부터 가진된 초음파는 아스팔트-콘크리트 교면의 내부에 판상형 유도파(Plate guided-wave)를 발생시켜 전달하며, 상기 제어단말(140)은 상기 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 2차원 영상으로 시각화하여 표시하는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.An ultrasonic measuring device mounting module 110 for mounting an ultrasonic transmitter 120 and an ultrasonic receiver 130 spaced apart from the upper surface of the asphalt-concrete bridge by a predetermined distance, respectively;
As an ultrasonic exciter, the ultrasonic transmitter 120 for excitation of non-contact ultrasonic waves on the asphalt-concrete bridge according to a preset excitation frequency;
Asphalt-ultrasonic receiver 130 for measuring the leakage wave from the upper surface of the concrete bridge; and
It is electrically connected to the ultrasonic transmitter 120 and the ultrasonic receiver 130, sets the excitation frequency of the ultrasonic transmitter 120, collects the data measured by the ultrasonic receiver 130, and performs a two-dimensional fast Fourier transform. After processing and analyzing the data according to the plate-shaped guided wave structural analysis algorithm 146, the control terminal 140 for evaluating the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge surface pavement,
The ultrasonic wave excited from the ultrasonic transmitter 120 generates and transmits a plate guided-wave inside the asphalt-concrete bridge surface, and the control terminal 140 causes peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement. Asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasound, characterized in that it is visualized and displayed as a two-dimensional image.
상기 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 있을 경우, 표면파와 함께 대칭형(S1) 모드가 강하게 가진되고, 0.01[1/㎜]의 파수보다 작은 대칭형(S1) 모드가 계측되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1,
When there is delamination damage inside the asphalt-concrete bridge, the symmetrical (S1) mode is strongly excited together with the surface wave, and the symmetrical (S1) mode smaller than the wave number of 0.01 [1/mm] is measured. Asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using
상기 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 없을 경우, 초음파 에너지가 표면파에 집중되고, 0.03[1/㎜]의 파수 근처에 에너지가 집중되어 표면파만 계측되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1,
Asphalt using non-contact ultrasound, characterized in that when there is no peeling damage inside the asphalt-concrete bridge, ultrasonic energy is concentrated on a surface wave, and energy is concentrated near a wave number of 0.03 [1/mm], and only the surface wave is measured. Concrete bridge delamination damage evaluation system.
상기 제어단말(140)은 여름철인 경우 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 최대 20㎑로 설정하고, 겨울철인 경우 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 최대 90㎑로 설정하는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1,
The control terminal 140 sets the excitation frequency of the ultrasonic transmitter 120 to a maximum of 20 kHz in summer, and sets the excitation frequency of the ultrasonic transmitter 120 to a maximum of 90 kHz in winter. Asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves.
상기 초음파 측정장치 장착모듈(110)에 장착된 상기 초음파 송신기(120) 및 초음파 수신기(130)와 아스팔트 상부 표면까지의 이격거리는 4㎝이고, 상기 초음파 송신기(120)의 입사각은 5°로 조절되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1,
The separation distance between the ultrasonic transmitter 120 and the ultrasonic receiver 130 mounted on the ultrasonic measuring device mounting module 110 and the upper surface of the asphalt is 4 cm, and the incident angle of the ultrasonic transmitter 120 is adjusted to 5° Asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasound, characterized in that.
2열 홈을 갖는 알루미늄 프레임으로서, 레일 형태로 제작되는 레일 모듈(111);
초음파 송신기 몰드(114)와 체결되어 상기 레일 모듈(111)을 따라 이동하는 제1 슬라이더(112);
초음파 수신기 몰드(115)와 체결되어 상기 레일 모듈(111)을 따라 이동하는 제2 슬라이더(113);
상기 제1 슬라이더(112)와 체결되어 상기 초음파 송신기(120)를 탑재하는 초음파 송신기 몰드(114); 및
상기 제2 슬라이더(113)와 체결되어 상기 초음파 수신기(130)를 탑재하는 초음파 수신기 몰드(115)를 포함하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1, wherein the ultrasonic measuring device mounting module 110,
An aluminum frame having two rows of grooves, the rail module 111 being manufactured in the form of a rail;
a first slider 112 coupled to the ultrasonic transmitter mold 114 to move along the rail module 111;
a second slider 113 coupled to the ultrasonic receiver mold 115 to move along the rail module 111;
an ultrasonic transmitter mold 114 coupled to the first slider 112 to mount the ultrasonic transmitter 120; and
Asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves, which is coupled to the second slider 113 and includes an ultrasonic receiver mold 115 for mounting the ultrasonic receiver 130 .
상기 초음파 송신기(120)는 고전압을 알루미늄 판에 가진시켜 에너지를 공기 중으로 전달하는 정전식(elactrostatic type) 초음파 가진기인 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1,
The ultrasonic transmitter 120 is an asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasonic waves, characterized in that it is an electrostatic type ultrasonic exciter that excites a high voltage to an aluminum plate and transfers energy into the air.
상기 초음파 수신기(130)는 적어도 8채널 이상의 다중채널의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 어레이(Array)로 구현되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1,
The ultrasound receiver 130 is an asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasound, characterized in that it is implemented as a multi-channel MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) array of at least 8 channels or more.
상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 설정하는 가진 주파수 설정부(141);
상기 초음파 수신기(130)가 계측한 데이터를 수집하는 데이터 수집부(142);
상기 수집된 데이터에 대해 시간정보를 주파수정보로 변환하도록 2차원 고속퓨리에 변환(FFT)을 수행하는 2차원 고속퓨리에 변환부(143);
상기 2차원 고속퓨리에 변환된 데이터를 판상형 유도파 구조해석 알고리즘(146)에 따라 처리 및 분석하는 데이터 처리 및 분석부(144); 및
아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하여 2차원 영상으로 시각화하여 표시하는 박리손상 평가부(145)를 포함하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1, wherein the control terminal 140,
an excitation frequency setting unit 141 for setting an excitation frequency of the ultrasonic transmitter 120;
a data collection unit 142 for collecting data measured by the ultrasound receiver 130;
a two-dimensional fast Fourier transform unit 143 that performs a two-dimensional fast Fourier transform (FFT) on the collected data to convert time information into frequency information;
a data processing and analysis unit 144 that processes and analyzes the two-dimensional fast Fourier-transformed data according to a plate-shaped guided wave structure analysis algorithm 146; and
Asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation system using non-contact ultrasound including a delamination damage evaluation unit 145 that evaluates the delamination damage inside the asphalt-concrete bridge pavement and visualizes and displays it in a two-dimensional image.
상기 판상형 유도파 구조해석 알고리즘(146)은 아스팔트-콘크리트의 박리형태 내부손상을 분석하기 위한 것으로, 아스팔트 두께에 맞는 특정 주파수를 가진하고, 이에 대응하여 발생하는 초음파의 비평면(out-of-plane) 신호를 공중에서 측정함으로써 그 파동 모드를 분석할 수 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 시스템.According to claim 1,
The plate-shaped guided wave structure analysis algorithm 146 is for analyzing the internal damage in the form of exfoliation of asphalt-concrete, has a specific frequency suitable for the thickness of the asphalt, and generates out-of-plane ultrasonic waves corresponding to this. ) Asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation system using non-contact ultrasound, characterized in that the wave mode can be analyzed by measuring the signal in the air.
b) 초음파 수신기(130)가 상기 판상형 유도파에 대응하는 누설파를 측정하는 단계;
c) 제어단말(140)이 상기 초음파 수신기(130)로부터 데이터를 수집하는 단계;
d) 상기 제어단말(140)이 수집 데이터에 대한 2차원 고속퓨리에 변환을 수행하는 단계;
e) 상기 제어단말(140)이 판상형 유도파 구조해석 알고리즘에 따라 데이터를 처리 및 분석하는 단계; 및
f) 상기 제어단말(140)이 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 평가하는 단계를 포함하되,
상기 초음파 송신기(120)로부터 가진된 초음파는 아스팔트-콘크리트 교면의 내부에 판상형 유도파(Plate guided-wave)를 발생시켜 전달하며, 상기 제어단말(140)은 상기 아스팔트-콘크리트 교면포장 내부의 박리손상을 2차원 영상으로 시각화하여 표시하는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법.a) generating a plate-shaped guided wave inside the asphalt-concrete bridge pavement by excitation of non-contact ultrasonic waves on the asphalt-concrete bridge pavement using the ultrasonic transmitter 120 mounted on the ultrasonic measuring device mounting module 110;
b) measuring, by the ultrasonic receiver 130, a leakage wave corresponding to the plate-shaped guided wave;
c) the control terminal 140 collecting data from the ultrasonic receiver 130;
d) performing, by the control terminal 140, a two-dimensional fast Fourier transform on the collected data;
e) the control terminal 140 processing and analyzing the data according to the plate-shaped guided wave structure analysis algorithm; and
f) the control terminal 140 comprising the step of evaluating the peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement,
The ultrasonic wave excited from the ultrasonic transmitter 120 generates and transmits a plate guided-wave inside the asphalt-concrete bridge surface, and the control terminal 140 causes peeling damage inside the asphalt-concrete bridge pavement. Asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation method using non-contact ultrasound, characterized in that it is visualized and displayed as a two-dimensional image.
상기 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 있을 경우, 표면파와 함께 대칭형(S1) 모드가 강하게 가진되고, 0.01[1/㎜]의 파수보다 작은 대칭형(S1) 모드가 계측되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법.12. The method of claim 11,
When there is delamination damage inside the asphalt-concrete bridge, the symmetrical (S1) mode is strongly excited together with the surface wave, and the symmetrical (S1) mode smaller than the wave number of 0.01 [1/mm] is measured. Asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation method using
상기 아스팔트-콘크리트 교면 내부에 박리손상이 없을 경우, 초음파 에너지가 표면파에 집중되고, 0.03[1/㎜]의 파수 근처에 에너지가 집중되어 표면파만 계측되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법.12. The method of claim 11,
Asphalt using non-contact ultrasound, characterized in that when there is no peeling damage inside the asphalt-concrete bridge, ultrasonic energy is concentrated on a surface wave, and energy is concentrated near a wave number of 0.03 [1/mm], and only the surface wave is measured. Concrete bridge delamination damage evaluation method.
상기 제어단말(140)은 여름철인 경우 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 최대 20㎑로 설정하고, 겨울철인 경우 상기 초음파 송신기(120)의 가진 주파수를 최대 90㎑로 설정하는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법.12. The method of claim 11,
The control terminal 140 sets the excitation frequency of the ultrasonic transmitter 120 to a maximum of 20 kHz in summer, and sets the excitation frequency of the ultrasonic transmitter 120 to a maximum of 90 kHz in winter. A method for evaluating delamination damage of asphalt-concrete bridges using non-contact ultrasonic waves.
상기 초음파 측정장치 장착모듈(110)에 장착된 상기 초음파 송신기(120) 및 초음파 수신기(130)와 아스팔트 상부 표면까지의 이격거리는 4㎝이고, 상기 초음파 송신기(120)의 입사각은 5°로 조절되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법.12. The method of claim 11,
The separation distance between the ultrasonic transmitter 120 and the ultrasonic receiver 130 mounted on the ultrasonic measuring device mounting module 110 and the upper surface of the asphalt is 4 cm, and the incident angle of the ultrasonic transmitter 120 is adjusted to 5° Asphalt-concrete bridge surface delamination damage evaluation method using non-contact ultrasound, characterized in that.
상기 a) 단계의 초음파 송신기(120)는 고전압을 알루미늄 판에 가진시켜 에너지를 공기 중으로 전달하는 정전식(elactrostatic type) 초음파 가진기인 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법.12. The method of claim 11,
The ultrasonic transmitter 120 of step a) is an electrostatic type ultrasonic exciter that excites a high voltage to an aluminum plate and transfers energy to the air. Method for evaluating asphalt-concrete bridge surface peeling damage using non-contact ultrasonic waves .
상기 a) 단계의 초음파 수신기(130)는 적어도 8채널 이상의 다중채널의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 어레이(Array)로 구현되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법.12. The method of claim 11,
The ultrasonic receiver 130 of step a) is an asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation method using non-contact ultrasonic waves, characterized in that it is implemented as a multi-channel MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) array of at least 8 channels or more.
상기 e) 단계의 판상형 유도파 구조해석 알고리즘(146)은 아스팔트-콘크리트의 박리형태 내부손상을 분석하기 위한 것으로, 아스팔트 두께에 맞는 특정 주파수를 가진하고, 이에 대응하여 발생하는 초음파의 비평면(out-of-plane) 신호를 공중에서 측정함으로써 그 파동 모드를 분석할 수 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파를 활용한 아스팔트-콘크리트 교면 박리손상 평가 방법.12. The method of claim 11,
The plate-shaped guided wave structure analysis algorithm 146 of step e) is for analyzing the internal damage in the form of exfoliation of asphalt-concrete, and has a specific frequency suitable for the thickness of the asphalt, and the non-planar (out) of ultrasonic waves generated in response thereto. -of-plane) An asphalt-concrete bridge delamination damage evaluation method using non-contact ultrasound, characterized in that the wave mode can be analyzed by measuring the signal in the air.
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