임펄스 흥분 기술

임펄스 흥분 기술(IET)은 비파괴 물질 특성화 기법으로 관심 물질의 탄성 특성과 내부 마찰을 판단한다.^[1] 그것은 장방형 막대, 원통형 막대, 디스크 모양의 샘플과 같이 미리 정의된 모양에 대한 영의 계량, 전단 계량, 포아송의 비율과 내부 마찰을 계산하기 위해 공명 주파수를 측정한다. 측정은 상온 또는 상온(최대 1700 °C)에서 다른 대기에서 수행할 수 있다.^[2]

측정 원리는 소형 발사체로 샘플을 두드리고 유도 진동 신호를 압전 센서, 마이크, 레이저 진동계 또는 가속도계로 기록하는 것이다. 결과를 최적화하기 위해 테스트 피스와 센서 사이에 접촉이 없으므로 마이크 또는 레이저 진동계를 사용할 수 있다. 진공 상태에서 신호를 측정하려면 레이저 바이브롬계를 선호한다. 이후 시간영역에서 획득한 진동신호는 빠른 푸리에 변환에 의해 주파수영역으로 변환된다. 전용 소프트웨어는 고전적 빔 이론을 바탕으로 탄성 특성을 계산하기 위해 높은 정확도로 공명 주파수를 결정한다.^[3]

탄성 특성

서포트 와이어, 기계적 임펄스 및 마이크의 위치에 따라 다른 공명 주파수가 흥분할 수 있다. 가장 중요한 공명 주파수 두 가지는 영의 시료 계수에 의해 제어되는 휨과 등방성 물질의 전단 계수에 의해 제어되는 비틀림이다.

사각형 막대, 디스크, 로드 및 그라인딩 휠과 같은 미리 정의된 모양에 대해서는 전용 소프트웨어가 샘플 치수, 중량 및 공명 주파수를 사용하여 샘플의 탄력성을 계산한다(ASTM E1876-15).

테스트 피스가 굴곡 모드에서 진동

굴곡 모드

첫 번째 그림은 굴곡 모드에서 진동하는 시험 피스의 예를 보여준다. 이 유도된 진동을 평면 외 진동 모드라고도 한다. 견본을 축에서 길이와 평행하게 90° 돌리면 평면 내 진동이 흥분된다. 이 굴곡진동모드의 고유진동수는 동적 영의 계수에 특유하다. 테스트 피스의 감쇠를 최소화하려면 진동 진폭이 0인 노드에서 지지해야 한다. 테스트 피스는 안티노드 중 하나에서 기계적으로 흥분하여 최대의 진동을 일으킨다.

비틀림 모드에서 테스트 피스가 진동함

비틀림 모드

두 번째 그림은 비틀림 모드에서 진동하는 테스트 피스의 예를 보여 준다. 이 진동수의 고유 주파수는 전단 계수에 대한 특성이다. 테스트 피스의 댐핑을 최소화하려면 양쪽 축의 중앙에서 지지해야 한다. 빔을 구부리기보다는 비틀기 위해 기계적인 흥분은 한쪽 구석에 수행되어야 한다.

포아송 비율

포아송의 비율은 물질이 압축 방향에 수직인 방향으로 팽창하는 경향이 있는 척도다. 영의 계수와 전단 계수를 측정한 후 전용 소프트웨어는 서로 다른 표준에 따라 등방성 물질에만 적용할 수 있는 후크의 법칙을 이용해 포아송의 비율을 결정한다.

내부 마찰/감쇠

재료감쇠 또는 내부마찰은 자유진동 상태에서 로그가 감소하면서 샘플의 진동 진폭이 붕괴되는 것이 특징이다. 댐핑 거동은 변형된 고형에서 발생하는 비탄성 프로세스(예: 열탄성 댐핑, 자기 댐핑, 점성 댐핑, 결함 댐핑, ...)에서 발생한다. 예를 들어, 서로 다른 재료 결함(이설, 결원, ...)은 진동 결함과 인접 지역 사이의 내부 마찰의 증가에 기여할 수 있다.

동적 대 정적 방법

설계 및 엔지니어링 용도에 대한 탄성 성질의 중요성을 고려하여 다양한 실험 기법이 개발되며 정적 및 동적 방법의 두 그룹으로 분류할 수 있다. (4점 벤딩 테스트 및 나노진딩과 같은) 통계학적 방법은 기계적 테스트 동안 스트레스와 균주의 직접 측정을 기반으로 한다. 동적 방법(초음파 분광법, 임펄스 흥분법 등)은 측정이 비교적 빠르고 단순하며 작은 탄성 균주를 수반하기 때문에 정적 방법보다 장점을 제공한다. 따라서 IET는 도자기, 굴절 등 다공성 및 부서지기 쉬운 재료에 매우 적합하다. 이 기술은 고온 실험에서도 쉽게 수정할 수 있으며 소량의 재료만 있으면 된다.

정확성과 불확실성

측정 불확도를 정의하는 가장 중요한 매개변수는 표본의 질량과 치수다. 따라서 각 파라미터를 0.1%의 정확도로 측정(준비)해야 한다. 특히 표본 두께가 가장 중요하다(영씨 계수에 대한 방정식의 세 번째 검정력). 이 경우 대부분의 애플리케이션에서 실질적으로 1%의 전체 정확도를 얻을 수 있다.

적용들

임펄스 흥분 기술은 광범위한 응용에서 사용될 수 있다. 오늘날 IET 장비는 다른 대기(공기, 불활성, 진공)에서 -50 °C~1700 °C 사이의 측정을 수행할 수 있다. IET는 주로 연구와 시간 및 온도의 함수로서 전이를 연구하기 위한 품질 관리 도구로 사용된다. 재료 결정 구조에 대한 자세한 통찰은 탄성 및 댐핑 특성을 연구함으로써 얻을 수 있다. 예를 들어 탄소강에서 이탈과 점 결함의 상호작용을 연구한다.^[4] 또한 내화성 재료의 경우 열충격 처리 중 누적된 재료 손상을 확인할 수 있다.^[5] 이것은 특정 재료의 물리적 특성을 이해하는 데 장점이 될 수 있다. 마지막으로, 이 기술을 사용하여 시스템의 품질을 확인할 수 있다. 이 경우 기준 주파수 스펙트럼을 얻기 위해서는 기준 피스가 필요하다. 예를 들어 엔진 블록을 두드리고 기록된 신호를 기준 엔진 블록의 사전 기록된 신호와 비교하여 테스트할 수 있다. 간단한 클러스터 분석 알고리즘이나 주성분 분석을 사용함으로써 샘플의 패턴 인식도 사전 기록된 신호 세트로 달성할 수 있다.^[6]

실험상관

직사각형 막대

영의 계량

E=0.9465\왼쪽({\frac {mf_{f}^{2}}:{b}\오른쪽)\왼쪽({\frac {L^{3}}{t^{3}}}\오른쪽)T

와 함께

T=1+6.585\왼쪽({\frac {t}{L}\오른쪽)^{2}

E 영계.

m 미사

f_f 굴곡 주파수

b 너비

L 길이

t 두께감

T 보정 계수

보정계수는 L/t ≥ 20일 경우에만 사용할 수 있다.

전단 계수

G={\frac {4Lmf_{t}^{2}}{bt}}}}R

와 함께

R=\left[{\frac {1+\left({\frac {b}{t}}\right)^{2}}{4-2.521{\frac {t}{b}}\left(1-{\frac {1.991}{e^{\pi {\frac {b}{t}}}+1}}\right)}}\right]\left[1+{\frac {0.00851b^{2}}{L^{2}}}\right]-0.060\left({\frac {b}{L}}\right)^{\frac {3}{2}}\left({\frac {b}{t}}-1\right)^{2}

참고로 우리는 bbt를 가정한다.

G 전단 계수

f_t 비틀림 주파수

m 미사

b 넓이

L 길이

t 두께감

R 보정 계수

원통형 막대

영의 계량

E=1.6067\왼쪽({\frac {L^{3}}{d^{4}}\오른쪽)mf_{f}^{2}T'

와 함께

T'=1+4.939\왼쪽({\frac {d}{L}\오른쪽)^{2}

E 영계.

m 미사

f_f 굴곡 주파수

d 직경

L 길이

T' 보정 계수

보정 계수는 다음과 같은 경우에만 사용할 수 있다. 신용장/d 20 20!

전단 계수

{\displaystyle G=16\왼쪽({\frac {L}{\pi d^{2}}:}\오른쪽)mf_{t}^{2}}:

와 함께

f_t 비틀림 주파수

m 미사

d 직경

L 길이

포아송 비율

영의 계수와 전단 계수가 알려지면 포아송의 비율은 다음과 같이 계산할 수 있다.

\nu =\left({\frac {E}{2){2G}\오른쪽)-1

감쇠 계수

유도 진동 신호(시간 영역 내)는 다음에 따라 기하급수적으로 감쇠된 사인파 함수의 합으로 장착된다.

감쇠 사인

x\왼쪽(t\오른쪽)=\sum Ae^{-kt}\sin \left(2\pi ft+\phi \오른쪽)

와 함께

f 고유 진동수

δ = kt 로그의 감소

이 경우 댐핑 파라미터 Q는⁻¹ 다음과 같이 정의할 수 있다.

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

-

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

=

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

W

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

=

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

{\

{

k}{\pi f}}}}},

W와

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}}={\frac {k}{\pi f}}

함께 시스템 에너지 사용

확장 IET 응용 프로그램: 공명측정기 방법

등방성 대 직교성 재료 거동

IET는 영의 계량 E, 전단 계량 G 및 포아송 비율 v에 대해 위에서 설명한 경험적 공식을 사용하여 등방성 탄성 특성을 찾을 수 있다. 등방성 재료의 경우 평판 시트 지점의 균주와 응력 사이의 관계는 다음 식에서 유연성 매트릭스[S]에 의해 주어진다.

이 표현에서 ε과₁ ε은₂ 1방향과 2방향에서 정상적인 변형률이고 υ은₁₂ 전단 변형률이다. σ과₁ σ은₂ 정상응력이고 τ은₁₂ 전단응력이다. 위의 그림에서 축 1과 2의 방향은 임의적이다. 이는 E, G, v의 값이 어떠한 물질적 방향에서도 동일하다는 것을 의미한다.

직교방성 재료 거동과 같은 보다 복잡한 재료 거동은 확장 IET 절차를 통해 확인할 수 있다. 직사각형 모양의 축에 관해서 탄성 특성이 대칭일 때 재료는 직교방성이라고 불린다. 얇은 시트에서와 같이 2차원 응력 상태의 경우, 직교방성 물질에 대한 응력 변형 관계는 다음과 같이 된다.

E와₁ E는₂ 1방향과 2방향의 영의 모듈리, G는₁₂ 평면 내 전단계수다. v는₁₂ 주요한 포아송의 비율이고 v는₂₁ 작은 포아송의 비율이다. 유연성 행렬[S]은 대칭이다. 따라서 마이너 포아송의₂ 비율은 E₁, E, v를₁₂ 알면 알 수 있다.

위의 그림은 일반적인 직교방성 재료의 몇 가지 예를 보여준다: 판 모서리에 평행한 섬유 방향을 가진 레이어드 단방향 강화 복합 재료, 레이어드 양방향 강화 복합 재료, 선호 방향을 가진 짧은 섬유 강화 복합 재료(목재 입자 보드처럼), 선호 방향을 가진 플라스틱, 롤납으로 된 금속판, 그리고 더 많은...

직교방성 재료 거동을 위한 확장 IET

두 영의 모듈리 E와₁ E를₂ 식별하기 위한 표준 방법은 IET 시험의 두 개의 인장, 즉 1 방향을 따라 절단된 빔과 2 방향을 따라 절단된 빔에 각각 하나씩이 필요하다. 장단 포아송의 비율은 인장 시험 중에 횡방향 균주가 측정되는 경우에도 확인할 수 있다. 평면 내 전단 계수를 식별하려면 평면 전단 시험에서 추가가 필요하다.

"Resonalyser procedure"^[7]^[8]^[9]^[10]는 역법("혼합 숫자 실험법"이라고도 함)을 사용하여 IET를 확장한 것이다. 파괴력이 없는 공명형 시술은 직교방성 물질에 대한 4개의 엔지니어링 상수 E1, E2, G12 및 v12를 빠르고 정확하게 동시에 식별할 수 있다. 4개의 직교방성 재료 상수를 식별하기 위해, 일정한 두께의 직사각형 시험판의 첫 번째 3개의 자연 주파수와 직사각형 단면을 가진 두 개의 시험 빔의 첫 번째 자연 주파수를 측정해야 한다. 한 테스트 빔은 세로 방향 1을 따라 절단되고 다른 테스트 빔은 횡단 방향 2를 따라 절단된다(오른쪽 그림 참조).

영의 시험 빔 계수는 직사각형 단면을 가진 시험 빔의 휨 IET 공식을 사용하여 확인할 수 있다.

시험판의 너비/길이 비율은 다음 공식에 따라 절단해야 한다.

이 비율은 이른바 '포아송 판'을 산출한다. 자유 부유식 포아송판의 흥미로운 특성은 첫 번째 공진 주파수와 관련된 모달 모양이 고정되어 있다는 것이다: 첫 번째 공진 주파수는 비틀림 모달 모양과 연관되어 있고, 두 번째 공진 주파수는 안장 모달 모양과 연관되어 있으며, 세 번째 공진 주파수는 서로 연관되어 있다. 숨쉬는 모달 모양을 하고

따라서 모달 모양의 성질을 조사할 필요 없이 포아송 판의 IET는 포아송 판의 진동 행동을 나타낸다.

문제는 이제 빔과 포아송 판의 IET로 측정한 주파수에서 직교이방 공학 상수를 추출하는 방법이다. 이 문제는 포아송 판의 유한요소(FE) 컴퓨터 모델에 기초한 역법("혼합수/실험법"^[11]이라고도 함)으로 해결할 수 있다. FE 모델은 주어진 재료 특성에 대한 공진 주파수를 계산할 수 있다.

역법에서는 유한요소모델의 재료 특성이 계산된 공명 주파수가 측정된 공명 주파수와 일치하도록 업데이트된다.

역법 문제는 다음과 같다.

· 재료 특성에 대한 양호한 시작 값의 필요성

· 매개변수가 올바른 물리적 솔루션으로 수렴되고 있는가?

· 솔루션이 고유한가?

좋은 결과를 얻기 위한 요구사항은 다음과 같다.

· FE 모델은 충분히 정확해야 한다.
· IET 측정은 충분히 정확해야 함
· 시작 값은 (전역 최소값 대신) 로컬 최소값을 피하기 위해 최종 솔루션에 충분히 근접해야 함
· 포아송 판의 FE 모델에서 계산된 주파수는 모든 재료 매개변수의 변화에 민감해야 한다.

영의 모듈리(IET에 의해 관측된)가 역법 절차에서 고정된 경우(비 가변 파라미터로), 포아송의 비율 v12와 평면 내 전단 계수 G12만 FE 모델에서 가변 파라미터로 취해진 경우, 공명형 절차는 위의 요건을 모두 충족한다.

정말,

IET는 비전문가 장비에서도 매우 정확한 공명 주파수를 산출한다.
플레이트의 FE는 충분히 미세한 요소 그리드를 선택하여 매우 정확하게 만들 수 있다.
포아송 판의 모달 모양에 대한 지식은 가상 필드 방법을 사용하여 매우 좋은 시작 값을 생성하는 데 사용될 수 있다.
그리고 포아송 판의 처음 3개의 자연 주파수는 모든 직교이방성 공학 상수의 변화에 민감하다.

표준

ASTM E1876 - 15 표준시험방법 진동충격배출에 의한 동적영양계, 전단계수, 포이손비. www.astm.org
ISO 12680-1:2005 - 내화성 제품의 시험 방법 - 제1부: 진동 임펄스 분리에 의한 동적 영의 계량(MOE) 결정 ISO.
DIN EN 843-2:2007 고급 기술 세라믹 - 실온에서 단일 세라믹의 기계적 특성". webstore.ansi.org

참조

^ Roebben, G.; Bollen, B.; Brebels, A.; Van Humbeeck, J.; Van Der Biest, O. (1997-12-01). "Impulse excitation apparatus to measure resonant frequencies, elastic moduli, and internal friction at room and high temperature". Review of Scientific Instruments. 68 (12): 4511–4515. doi:10.1063/1.1148422. ISSN 0034-6748.
^ Roebben, G; Basu, B; Vleugels, J; Van Humbeeck, J; Van der Biest, O (2000-09-28). "The innovative impulse excitation technique for high-temperature mechanical spectroscopy". Journal of Alloys and Compounds. Intern. Conf. Internal Friction and Ultrasonic Attentuation in Solids (ICIFUAS-12). 310 (1–2): 284–287. doi:10.1016/S0925-8388(00)00966-X.
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[1] Roebben, G.; Bollen, B.; Brebels, A.; Van Humbeeck, J.; Van Der Biest, O. (1997-12-01). "Impulse excitation apparatus to measure resonant frequencies, elastic moduli, and internal friction at room and high temperature". Review of Scientific Instruments. 68 (12): 4511–4515. doi:10.1063/1.1148422. ISSN 0034-6748.

[2] Roebben, G; Basu, B; Vleugels, J; Van Humbeeck, J; Van der Biest, O (2000-09-28). "The innovative impulse excitation technique for high-temperature mechanical spectroscopy". Journal of Alloys and Compounds. Intern. Conf. Internal Friction and Ultrasonic Attentuation in Solids (ICIFUAS-12). 310 (1–2): 284–287. doi:10.1016/S0925-8388(00)00966-X.

[3] Massara, Nazareno; Boccaleri, Enrico; Milanesio, Marco; Lopresti, Mattia (1 October 2021). "IETeasy: An open source and low-cost instrument for impulse excitation technique, applied to materials classification by acoustical and mechanical properties assessment". HardwareX. 10: e00231. doi:10.1016/j.ohx.2021.e00231.

[4] Jung, Il-Chan; Kang, Deok-Gu; Cooman, Bruno C. De (2013-11-26). "Impulse Excitation Internal Friction Study of Dislocation and Point Defect Interactions in Ultra-Low Carbon Bake-Hardenable Steel". Metallurgical and Materials Transactions A. 45 (4): 1962–1978. doi:10.1007/s11661-013-2122-z. ISSN 1073-5623. S2CID 136855858.

[5] Germany, GHI/RWTH-Aachen, Aachen, Germany, Institute of Mineral Engineering – Department of Ceramics and Refractory Materials, Aachen (2015-01-01). "Estimation of Damage in Refractory Materials after Progressive Thermal Shocks with Resonant Frequency Damping Analysis". Journal of Ceramic Science and Technology. 7 (2). doi:10.4416/jcst2015-00080.

[6] Massara, Nazareno; Boccaleri, Enrico; Milanesio, Marco; Lopresti, Mattia (1 October 2021). "IETeasy: An open source and low-cost instrument for impulse excitation technique, applied to materials classification by acoustical and mechanical properties assessment". HardwareX. 10: e00231. doi:10.1016/j.ohx.2021.e00231.

[7] Non-destructive testing : proceedings of the First Joint Belgian-Hellenic Conference on Non-Destructive Testing, Patras, Greece, 22-23 May 1995. Hemelrijck, Danny van., Anastassopoulos, Athanassios. Rotterdam: A.A. Balkema. 1996. ISBN 90-5410-595-X. OCLC 35306088.{{cite book}}: CS1 maint : 기타(링크)

[8] "Theoretical Background of the Resonalyser Procedure".{{cite web}}: CS1 maint : url-status (링크)

[9] T. Lauwagie, H. Sol, G. Roebben, W. Heylen and Y. Shi (2002). "Validation_of_the_Resonalyser_method_an_inverse_method_for_material_identification".{{cite web}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록 (링크) CS1 maint : url-status (링크)

[10] Lauwagie, Tom; Sol, Hugo; Roebben, Gert; Heylen, Ward; Shi, Yinming; Van der Biest, Omer (2003-10-01). "Mixed numerical–experimental identification of elastic properties of orthotropic metal plates". NDT & E International. 36 (7): 487–495. doi:10.1016/S0963-8695(03)00048-3. ISSN 0963-8695.

[11] Sol, H. (1997). Material Identification Using Mixed Numerical Experimental Methods : Proceedings of the EUROMECH Colloquium held in Kerkrade, the Netherlands, 7-9 April 1997. Oomens, C. W. J. Dordrecht: Springer Netherlands. ISBN 978-94-009-1471-1. OCLC 851370715.

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목차

탄성 특성

굴곡 모드

비틀림 모드

포아송 비율

내부 마찰/감쇠

동적 대 정적 방법

정확성과 불확실성

적용들

실험상관

직사각형 막대

영의 계량

전단 계수

원통형 막대

영의 계량

전단 계수

포아송 비율

감쇠 계수

확장 IET 응용 프로그램: 공명측정기 방법

등방성 대 직교성 재료 거동

직교방성 재료 거동을 위한 확장 IET

표준

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