Method for Measuring Acoustic Nonlinearity Parameters using a Tone-burst Signal with Gradually Increasing Amplitude

Abstract

Nonlinear ultrasonic techniques exploit the distortion of a propagating ultrasonic wave due to the nonlinear behavior of a material. In these techniques, acoustic nonlinearity parameters, which are determined by the generation of a second harmonic wave, are obtained by measuring the second harmonic amplitude proportional to the squared fundamental wave amplitude. To ensure the measurement reliability of the parameters, a typical approach involves obtaining second harmonic amplitudes from different driven fundamental wave amplitudes with varying voltages. This study proposes a method that acquires several fundamental and second harmonic amplitudes in a single measurement, in contrast to the multiple measurements required in conventional methods, using a tone-burst signal with a gradually increasing amplitude. To validate the proposed method, acoustic nonlinearity parameters for an aluminum specimen were measured using both the proposed and conventional methods. The measurement deviation was only 1.7%, and the acoustic nonlinearity parameter results exhibited high linearity, confirming the feasibility of the proposed method. By significantly reducing the measurement time, this study contributes to the development of equipment for efficiently measuring acoustic nonlinearity parameters.

비선형 초음파 기술은 재료의 비선형적 거동으로 인해 전파하는 초음파가 왜곡되는 현상을 이용한다. 이 기술에서는 2차 고조파의 생성으로 결정되는 음향 비선형 파라미터를 활용하며, 기본파 진폭의 제곱에 비례한 2차 고조파의 진폭을 측정하여 얻는다. 이 음향 비선형 파라미터의 측정 신뢰성을 확보하기 위해 일반적으로 다수의 기본파 진폭에 대한 2차 고조파 진폭을 획득한다. 본 연구에서는 이러한 기존의 반복적으로 측정하는 것을 대체하기 위해 진폭이 점진적으로 증가하는 톤버스트 신호를 이용하여 한 번의 측정으로 다수의 기본파 진폭 및 2차 고조파의 진폭을 획득하는 새로운 방법을 제안한다. 제안된 방법의 검증을 위해 알루미늄 시편의 음향 비선형 파라미터를 기존 방법과 제안된 방법으로 측정하였다. 측정 결과의 편차는 1.7%에 불과하며, 음향 비선형 파라미터 측정 결과는 높은 선형성을 나타내어 제안한 방법의 타당성을 입증하였다. 본 연구는 측정 시간을 획기적으로 단축할 수 있어 음향 비선형 파라미터를 효율적으로 측정하기 위한 장치 개발에 기여할 수 있다.