압전 단결정 섬유 복합체를 이용한 평판 유도초음파 측정 = Guided Wave Transduction Using a Single Crystal Fiber Composite in Plates

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Thin and flexible single crystal fiber composites (SFCs), which have remarkable piezoelectric performance, have not been used for guided wave transduction to date, whereas they have been widely used in various fields such as energy harvesting and mechanical actuation. Hence, in this study, we attempted to use them for measuring guided waves in plates. Because guided waves have various modes according to the vibration of particles and propagation directions, the mode and frequency characteristics of the guided wave generated by the installed SFC onto an aluminum plate were confirmed first through a series of radiation pattern experiments. The signals were obtained using a SFC and an electromagnetic acoustic transducer (EMAT) by changing the interval angle of 10°. With the results, we determined the installation angles for SFCs as a transmitter and a receiver, for maximizing the output signal. By installing a pair of SFCs according to the angles, we could observe almost five times larger signals of shear horizontal and symmetric Lamb wave modes than those from the case when the SFCs were installed 0°. In conclusion, we confirmed that SFCs could be used for guided wave transduction in plates and that the installation angle affected the magnitudes of the guided wave signals. Based on the results, SFC will be used for further research on ultrasonic guided wave testing.

국문 초록 (Abstract)

압전 단결정 섬유 복합체는 압전 특성이 우수하고 두께가 얇아 유연성을 갖도록 제작하여 에너지 하베스팅, 액추에이터 등과 같이 다양한 분야에 활용된 바 있다. 하지만 유도초음파 측정에 적용되지 않아 본 연구에서 이를 처음으로 시도하고자 하였고 평판 구조물에서 유도초음파 트랜스듀서로 활용 가능성을 실험적으로 파악하였다. 유도초음파는 입자의 진동 및 전파 방향에 따라 모드 특성이 다르기 때문에 우선 알루미늄 평판에 압전 단결정 섬유 복합체를 부착하여 발생되는 모드와 주파수에 따른 특성을 방사 패턴 실험을 통해 확인하였다. 방사 패턴 실험은 압전 단결정 섬유 복합체와 전자기음향 트랜스듀서를 한 쌍으로 구성하였으며 10° 간격으로 각도를 바꿔가며 신호를 취득하였다. 다음으로, 방사 패턴 실험 결과를 통해 압전 단결정 섬유 복합체를 송신기와 수신기로 동일하게 사용하였을 때 최대 성능을 가지는 각도를 도출하였으며 이에 맞추어 평판에 재구성하여 신호를 측정하였다. 해당 실험을 통해 전단파와 램파 대칭 모드의 신호 크기가 모두 기준으로정한 초기 각도(0°) 조건 대비 약 5배가량 증가했음을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통해 압전 단결정 섬유 복합체를 평판 유도초음파 측정 용도로 사용할 수 있는 가능성을 확인하였으며 특정 각도 조건으로 신호 크기를 향상시킬 수 있는 데이터도 확보하였다. 추후 성능을 개선하여 초음파 검사 응용 연구로 확장하고자 한다.

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