We are created to do good.
음향의 일종으로 통상 인간의 청력으로 들을 수 없는 높은 주파수의 음파를 말하며 현재 통신, 계측 분야 및 동력분야에 응용하고 있다. 통상적으로 초음파 검사를 위한 신호는 1MHz ~ 10MHz 정도의 주파수 초음파를 사용한다.

박쥐는 암흑의 동굴 속에서도 자신이 발사하는 초음파의 반사파를 감지하여 충돌을 피한다. 돌고래는 수십에서 수백 KHz의 초음파를 발사하여 동료들과 교신할 때 입과 코 부위에서 변조주파수(40-1000KHz)를 사용하는데 이것은 곧 FM방식이다. 그 외에 개, 고양이, 새, 쥐, 새우, 모기, 나비 등도 초음파를 감지하는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 음파의 전파속도는 상온(20℃)의 공기 중에서 343m/초, 수중에서 1,480m/초, 금속에서 5,180m/초이며 그 강도는 주파수가 낮을수록, 진폭은 클수록 강해진다. 초음파의 가속도는 중력가속도의 약 20만배에 달하여 이러한 동력적 파워는 세척을 비롯한 용접, 가공 및 스케일 제거 등에 활용된다.
완벽한 인간은 없다. 그리고 비용과 안전문제로 인해 많은 형태의 물질들이 요구되는 특성을 지니는지 확인해야만 한다. 그런 조사가 빈번하게 필요한 곳이라면 초음파를 사용한 비파괴 검사에 직면하게 된다. 그 이유는 초음파는 여러 물질에 전달될 수 있고 사용하는데 별문제가 없기 때문이다. 비파괴 검사가 적용되는 분야는 넓고 계속적으로 확장되고 있다.
IT is used
1
  • in traffic
  • 차량, 비행기 검사
  • 레일, 전차 선로 등의 검사
2 금속 제조업에서 주물, 단조 그리고 튜브나 와이어 판금등과 같은 말려진 제품 검사
3
  • 조선 사업과 금속 제작
  • 반 완성된 제품 검사, joint 검사
4
  • 기계 생산 및 전기 산업
  • 내성 검사 뿐만 아니라 용접, 납땜, 반 완성 제품 접착되어진 연결부위 검사
5
  • 모든 형태의 발전소
  • 압력 검사, 열 압력 보일러와 도관 검사
  • 터빈과 발전기 모니터링
6
  • 화학 산업
  • 제품이나 화합물 검사
  • 주요 시설들의 침식 모니터링
7
  • 자연과학 조사
  • 고체물질 또는 분자 특성 조사
  • 의료분야
  • 인류와 동물 조사
   
소리는 인지 가능한 명백한 존재임에도 불구하고 어떤 지속적인 변화도 야기시키지 않는다. 이것이 적은 에너지를 갖는 소리가 비파괴 검사에 매우 적합한 이유이다. 즉, 그 목적은 시험 표본에 대한 정확한 정보를 획득하는 것이다. 이런 이유로 상태를 변화시키지 않으면서 표본내의 명백한 반응을 만들어내는 방법이 요구되어 진다. 그러므로 물질을 검사하는데 요구되어 지는 소리의 가장 주요한 특징이 수동적이라는 것이다. 음향 발산의 특정 분야에서 수동성 소리는 물질의 상태 내의 자발적인 변화에 의해 발생되어지는 음파로 사용되어 진다. 음파는 기계적인 파동으로써 운반체의 역할을 하는 매개체이다. 고체, 액체 또는 기체 상태의 물질을 음파상에서의 특정 효과를 통해 판단해 낼 수 있다. 모든 초음파 검사는 초음파가 검사 매개체내에서 전달될 때 어떻게 영향을 받는가에 기초를 둔다. 음파는 측정 가능한 물체의 상황에 따라 여러 가지 변화를 겪는다. 물질의 특성 평가는 그때 간접적으로 나타난다. 경험적 상호관계와 모델에 의해 기타 포함 물질이나 물질 구조 내에서의 변화를 음향신호의 변화로 해석 할 수 있다. 물질의 특성 평가는 항상 신호 해석에 따른 개념의 신뢰도에 의존한다. 물질 평가하는데 이 소리의 전달 간섭은 항상 기본 원리에 근거한다.
1. 간섭은 경계면에 기인한다.
예를 들어 crack과 같은 육안으로 식별 가능한 시험표면이나 나뭇결 경계와 같은 극히 작은 경계와 같은 제한된 경계.
2. 간섭은 흡수에 기인한다.
이것은 대체로 내부 마찰에 의해 발생하는 에너지를 변환시킨다. 이 경우 평가는 경계에서 반사되는 신호나 매개체를 통과하는 변화된 신호에 의해 이루어진다. 간섭의 근본적인 효과는 다른 초음파 검사 방법을 발생 시켰다.
3. 반향(공명) 법 (Resonance method)
시험 표본의 두개의 평행한 한계면에서 만들어진 반사를 이용한다.
4. Through-transmission method
다른 언어에서 이것은 음영기법으로써 보다 훌륭하게 인용된다. 이 기법에서 물체 경계 (물체의 불연속면)면의 음영 효과가 사용된다. 시험 표본 양쪽에 두개의 마주보는 probe를 위치해 놓는 거울 음영법(mirror- shadow-method)을 사용할 수 있다.
5. 에코법(Echo method)
이 방법은 물질 내의 불연속으로부터 반사되는 신호를 이용한다. 발신 probe는 수신 probe와 동일할 수 있 고, 분리된 발신기와 수신 probe또한 사용될 수 있다. 모든 Echo method과 동시대의 초음파 검사법 중 가장 중요한 것은 Pulse-echo-method이다. 초음파 펄스를 사용해서 반사지시의 크기(echo amplitude)뿐만 아니라 에코 이동 시간까지 측정할 수 있다. 따라서 반사체의 크기 뿐만 아니라 그것의 위치를 표시하는 data까지 얻을 수 있다. 반사체의 위치를 알아내면(저면, back wall) 이동 시간을 이용해서 물질 구조를 측정할 수 있다. 반사체의 위치를 몰라도 물질의 특성(감쇠, 음속)을 알면 벽두께 측정이 이루어질 수 있다.
펄스 에코법에서 사용되는 초음파 장비 기술은 입력과 출력 사이의 차이를 측정해서 수치화 하는 것이다. 단순한 배터리로 가동되거나 자동 측정과 제어 기능을 지닌 테스트 장치라면 항상 모든 구성요소가 사용 된다.
1. 제어 유닛(Controlling unit)
이것은 발신 및 수신, 측정 시에 테스트 주기의 순서를 결정한다.
2. 펄스 발생기(Pulse generator)
기계적으로 probe가 진동하는 펄스를 발생시킨다.
3. 탐색기(Probe)
probe는 전기적인 펄스를 기계적인 진동(초음파)으로 전환시키고 그 역인 소리 진동을 전기적인 것으로도 전환한다. 송수신 probe는 single-probe operation과 동일하거나 TR-operation, tandem-operation과 분리되어 있다.
4. Amplifier
Amplifier는 수신된 신호와 probe에 의해 변환된 신호를 증폭여과시킨다. Gain은 선형(linear) 또는 대수형(logarithmic)이다.
5. 측정(Evaluation)
때때로 측정은 gain의 특성에 의해 이미 완료되기도 한다. 일반적으로 신호는 threshold 수준보다 작거나 높은 신호로 분류되어 진다. 이 일을 하는 장비는 모니터라 여겨진다.
6. 출력 (Output)
변환 및 측정된 신호는 전선택 프로그램(Pre-selected program)에 따라 먼저 처리되어, 출력, 화면표시 또는 저장된다
Fig. 5 Block schematic diagram Pulse-echo testing system
Fig. 5는 들어오는 신호를 변환시켜주고 증폭시킨 후 CRT모니터에 출력해주는 초음파 장비의 기본 설계를 보여준다. 대부분 보다 적당한 장비로 교체된다. Fig 6은 신호 크기와 통과(transit) 시간에 따라 지시를 측정하는 모니터 회로의 원리를 보여준다. 게이트 회로는 특정 통과 시간 범위를 모니터한다. 증폭기가 이 시간 범위 내에서 신호를 전달하면 (예를 들어 기록 증폭기(recorder amplifier)에 의해 다시 전환되면) 그때 아날로그 또는 디지털 신호로 측정된다.
Fig. 6 Block schematic diagram: recording monitor (1) switch monitor (2)
레코더 증폭기 대신 Threshold 회로의 YES/NO 출력은 test process 제어 신호를 발생시키는 Interface 증폭기를 통해 발송될 수 있다. Testing시 펄스 반복 주파수와 test cycle(probe와 시험편의 움직임)사이의 관계를 유념하여야 한다. 만약 이 시간 관계를 고려하지 않는다면 심각한 에러가 발생하게 된다. 다시 말하면 모든 시스템이 완벽하게 동작하고 그 결과가 재현 가능함에도 불구하고 그 data에서 물질내의 반사체나 반사체들의 중첩을 못 보고 지나갈 수도 있다. Test결과를 문서화 하는 것은 검사의 문제에 따라 다양하다. Manual testing 장비를 사용할 때는 표fig. 6a에서transit time 위에 A-scan의 형태로 표시되는 CRT 모니터가 일반적이다. 여기서 디스플레이는 다이오드 배열에 의해서 가능하다. CRT 스크린에서 반사체의 위치가 두개의 용적을 갖는다면 C-scan 을 사용한다. 판이 마멸되거나 C-scan에 충분한 계획 또한 종종 정보 저장소로 사용되기도 한다. 조명을 받는 용접부 검사를 할 때 지시가 사용된다. 이 장비는 직접 결함의 위치를 읽는다.
초음파 검사는 음파를 발생시키는 탐색기 없이는 수행될 수 없다. 탐색기는 음파의 발신과 수신에 사용 되므로 검사 시스템에 있어서 결정적으로 중요한 것이다. 탐색기는 입력 신호와 출력신호에 미치는 영향을 결정한다. 어떤 반사체 위치를 정하고 그것의 크기를 결정하려면 음원의 특성과 음파 수신기를 미리 알아야 하고 그것을 고려해 봐야 한다. 탐색기의 타입은 시험편의 타입과 발견된 반사체의 종류에 따라 매 비트마다 변한다. 여러 종류의 탐색기 중에는 다른 크기에서 다른 타입의 물질에 쓰이는 것, 시험편과 직접 접촉하는 것과 담금 기법을 위한 것, 일반적인 비밍(normal beaming)과 경사 비밍(inclined beaming), 단형 펄스(short)와 장형 펄스(long)를 위한 것들이 있다. 음파의 발생과 수신을 위해 pulse-sound-technique은 대부분 바륨티타네이트나, 지르코산염 봉, 메타니오베이트 봉 등과 같은 다양한 세라믹 물질로 만들어진 배타적 압전판(transformer)을 사용한다. 이러한 압전판들은 짧은 전기적 펄스에 의해 기계적인 진동을 발생시킨다. 크리스탈 뒷면의 감소 엘리먼트(시험편쪽으로 결합된 탐색기)가 압전판의 진동을 감소시키는 것이 초음파 펄스가 형성되는 방식이다. 감소가 나약하면 펄스는 길어지고 주파수 스펙트럼은 좁은 대역이 된다. 이것은 압전판 의 공명 주파수에 가깝다. 심한 감소는 짧은 광 대역의 펄스를 만든다. 이런 매우 짧은 펄스는 고해상도를 제공해서 정확한 전송시간을 측정해낼 수 있다. 시험편의 표면에 수직으로 음파를 방사하는 탐색기는 normalbeam probe이고 각도를 주어 방사하는 것은 angle beam probe라 한다. 발진 과 송신 기능에 쓰이는 분리된 크리스탈을 지닌 탐색기는 transmitter-receiver (TR) probe라고 불려진다.

각각의 탐색기는 시험편에 Fig.8 또는 fig.9 형태의 음파를 발생시키지만 그 진동이 항상 이러한 형태로 나타나는 건 아니다.
Fig. 6 Block schematic diagram: recording monitor (1) switch monitor (2)

수신 구성요소에서 펄스 형태를 정류하고 매끄럽게 함으로써 시험편에서의 sound pulse에 나타나지만 항상 높은 유사성을 가지는 것은 아니다. 이러한 형태의 스크린 표면은 원래의 펄스에 포함된 가장 좋은 시험편의 상태를 나타내는 정보가 다소 손실된다는 단점을 지닌다.

지금까지의 주제는 음파와 청취 가능한 소리의 기본적인 특성이었다. 초음파의 물리적 진행은 가청음과 같지만 초음파 진동은 너무 급격하게 일어나서 인간의 귀로는 들을 수 없다.가청한계는 거의 0.02MHz에 가까운 반면 초음파 검사에서는 0.5MHz에서 20MHZ의 주파수를 사용한다. 어떤 방법으로도 들을 수도 볼 수도 없는 초음파의 특성은 초음파의 효과를 이해하기 어렵게 하기도 하지만 이점을 주기도 한다. 그 음이 가청범위 내에 있고 검사할 때와 같이 높은 수준의 세기라면 견딜 수 없을 것이다. 이제부터 초음파 진동을 상세하게 설명하겠다. 초음파는 고체, 유체 또는 가스 상태이든 간에 매개체를 진동하게 만들 수 있다. 진동이 급격하게 발생해서 인간의 가청한계를 초과하면 초음파에 속하는 것이다. 이것은 실제로 진동하는 매개체의 작은 입자이다. 진동의 형태는 매개체의 탄성과 매개체를 진동 시키는 펄스에 의해 결정된다. 음파는 c의 음속으로 퍼져나간다. 소리의 진동은 물체 내에 입자들의 움직임으로 설명할 수 있다. 예를 들어 입자의 편향을 위치와 시간으로 함수 ζ = f(z , t)로 나타내고 음압을 위치와 시간으로 함수 p=(t, z)로 나타낸다. 검사에서 음압은 진동의 교차를 의미한다. 압전판에서 발생되는 전위 U= f(z, t)가 직접적으로 영향을 미치는 음파의 압력에 비례하고 또 반대로도 그렇기 때문에 음압은 매우 중요하다. 입자들은 음파의 전단 방향으로 진동한다. 이런 진동을 종파라 한다. 밀접한 입자들은 보다 작은 편향을 하게 되어 빠른 입자 속력과 높은 음압을 갖는다. 입자들은 음파의 전달 방향 내에서 진동한다. 그러한 진동은 종파라고 한다. 입자간의 간격이 밀접하다는 것은 편향이 작다는 것이고 이것은 입자 속도가 빠르고 음압이 높다는 것을 의미한다. 전단 응력이 매개체 내에서 전달될 수 있다면(대부분 고체의 경우에서) 입자는 또한 음파 전달 방향의 가로 방향으로 진동하게 된다. 이것을 횡파라고 한다. 하지만 그와 같이 이상적인 경우는 매개체가 무한대일 경우에만 존재한다. 검사하는 동안 시험편의 외부 경계에서 반사가 일어난다면 복잡하게 혼합된 파형이 생기게 된다. 순수 횡파나 종파에 적용 가능한 등식을 그것에 적용할 수는 없다. 모든 이러한 파형은 시험편에서 동시에 제공될 수 있고 이런 것들 때문에 지시(indication)의 해석이 어려워진다.
매질 테스트 시 주요 parameter Dimension
ω=2 π f angular velocity   rad/s
f frequency Hertz(Hz) 1/s
c sound velocity   m/s
λ=c/f wave length   m
ζ particle deviation   m
v particle velocity   m/s
ρ density   kg/㎥
F force Newton(N) kg m/s
p alt. sound pressure Pascal(Pa) kg/ms
μ Poisson's ratio    
E modulus of elasticity   kg/ms
G Shear modulus   kg/ms
P acoustic power Watt W
Z= ρc acoustic impedance   kg/ms
J acoustic power density   W/m²

관계식

(1) p= ρcωζ =Zωζ= 2πZ fζ
이때의 음압은 음향 임피던스, 주파수,입자 편향에 비례한다.
(2)

Intensity J는 음향 임피던스 Z와 주파수와 입자 편향의 제곱에 비례한다.

(3) longitudinal wave =
(4) Transverse wave =
(5) Surface wave =
정의에 의하면 음장은 경계를 갖지 않는다. 음압 크기는 공간내의 모든 점과 상호관계가 있다(0이 될 수도 있다). 그와 같은 위치와 음압의 값들은 음장(보다 정확하게 교차하는 음압 필드)을 형성한다. 초음파 펄스 기술은 그 이름이 내포하는 것처럼 작용한다. 이런 펄스는 특정 위치에 최대음압을 형성하는 음원의 위치와 음속 C에 의존하는 일정한 시간을 필요로 한다. 음압이 형성되고 초당 10,000번의 펄스 반복 주파수에 이르러 사라지듯이 그 시간 의존도에 소홀하거나 음장을 마치 최대 음압과 같은 각 포인트에서 압력이 상수인 것처럼 간주할 수도 있다. 각각의 음원은 공간에서 그것만의 독특한 형태의 압력 특성을 지니고 또 이것은 탐색기에 의한 것이 아닌 시험체 내부에서 발견되는 간섭에 의해 만들어진 음장이다. 다이어그램을 이용해서 음압 영역을 보려면 대게 불변의 음압이 있는 공간의 교차하는 구역 내에 선으로 표시한다. -6dB 곡선은 이 곡선 위에 이 곡선 위에서 압력은 0dB의 위치에서 아래쪽으로 6dB를 의미한다. 즉 이것은 0dB위치에서 절반의 크기이다. 모든 음압 p의 위치에게 주어진 위치를 나타내는 등고선 표시의(Fig.17, 18) 반대쪽의 방향성은 음원으로부터 어느 정도의 거리에서 측정 되었을 때 그 음압이 측정될 수 있는 곳에서만 방향을 보여준다. 따라서 방향성은 측정된 거리에만 적용할 수 있다. 여기 주어진 음장에 대한 설명은 적절한 포인트 수신기를 사용하여 공간내의 모든 포인트의 음압이 음장의 간섭 없이 측정된다. Free field 즉 방향성을 띈 free field 또는 음원의 자유 방사로 알려져 있다. 하지만 음파가 어떤 영역 포인트의 반사체에 의해 반사되고 같은 탐색기에 의해 수신된다면 사용된 반사체에 관련하여 echo field의 특성을 갖게 된다. 펄스 에코 법에 대해 free field data는 단지 탐색기에만 의존하는 것이 아니라 사용된 반사체에 많은 영향을 받기 때문에 echo field보다 흥미롭지 못하다.