기술내용
일반적으로 구조재의 비파괴검사 방법으로 사용되는 초음파검사법은 선형 초음파 특성을 이용하여 재료와 결함 간에 음향임피던스 차이에 의한 반사, 회절, 굴절 등을 이용하여 비파괴검사에 이용하고 있는데 이 선형초음파 특성을 이용한 결함 탐지 기술의 경우 그 탐지 한계가 mm 또는 0.1 mm 정도로써 보다 작은 결함이나 미세열화 현상을 진단하기 어렵다. 즉 이러한 한계를 극복하기 위해 재료의 미시현상, 즉 μm 급의 닫힌 균열이나 계면, 미세열화를 측정하기 위한 기술로 재료의 초음파 비선형특성을 이용하는 방법을 개발되고 있으며 1) 고조파 (harmonic wave) 나 분조파 (sub-harmonic wave) 를 측정하는 방법과 2) 입사에너지 변화에 따른 공명주파수의 천이 현상을 측정하는 방법이 있다.
재료의 미세열화, 균열을 초음파 비선형 특성과 연관 짓기 위해 초음파공명주파수의 천이 현상을 탐지하기 위한 비선형 초음파공명 분광기술(NRUS, Nonlinear Resonant Ultrasound Spectroscopy)을 확립하였다. 초음파공명기술을 적용하여 음압의 변화에 따른 초음파공명주파수의 천이 뿐만 아니라 정규화된 공명신호 진폭를 초음파 비선형성 파라메터로 선정하였으며 닫힌 균열 (closed crack) 과 같은 미세균열의 진단이 가능함을 알 수 있었다.
비선형초음파공명 진단시스템 구축
비선형초음파공명 신호를 송수신하기 위한 방법으로 압전소자에 의한 방법과 레이저 진동계에 의한 방법이 있다. 임의함수발생기 및 고주파 증폭기를 사용하여 원하는 진폭과 주파수의 전기신호를 압전소자에 가해 시편에 초음파를 발생시킨 후 다른 수신용 압전소자 또는 레이저 진동계를 통해 공명 신호를 수신하는 방식으로 PC에서 주파수 sweep 및 진폭을 제어하고 신호를 수집하여 스펙트럼으로 표현하도록 프로그램을 작성하였다. (그림 1) CT (Compact Tension) 시편에 대해 저주파 피로시험을 수행하면서 균열 진전 단계마다 공명주파수의 변화를 측정하여 균열 크기에 따른 공명주파수의 천이 현상을 확인하였으며 균열이 진전할수록, 즉 균열 크기가 증가할수록 공명주파수의 천이량이 증가함을 확인하였다. (그림 2)
그림 1. 레이저 비선형 초음파공명 진단 시스템.
그림 2. 균열 크기에 따른 공명주파수 천이 (CT 시편).
레이저 비선형 충격파 진단시스템
비선형 초음파공명 특성을 실제 현장에서 적용하기에 간편하고 이동 가능한 시스템을 개발하기 위해 레이저 도플러 진동계와 충격해머를 사용한 간이형 비선형 충격파 공명진단 시스템(NIRAS; Nonlinear Impulse Resonance Acoustic Spectro- scopy)을 제작하였다. 충격 해머에 의한 충격파 에너지 변화에 따라 공명 스펙트럼이 변화함을 확인하였으며 이러한 초음파 비선형 특성을 시편 내에 결함 존재 여부를 판단하는 근거로 사용할 수 있다.
그림 3. 레이저 비선형 초음파 진단 시스템.