비파괴검사는 시험 대상물을 손상시키거나 분리 혹은 파괴하지 않고 결함 존재 여부나 상태 등을 파악하기 위해 활용된다. 검사대상체에 가해지는 물리적 에너지 유형에 따라 다양하게 구분되는데, 초음파 탐상검사는 사람의 귀에는 들리지 않는 높은 주파수(20kHz 이상)의 음파를 이용하여 내부의 결함을 검출하는 방법이다.
초음파는 매질의 원자가 진동할 때 그 진동이 인접 원자에 전해져서 에너지가 전달되는 탄성파의 일종이다. 매질에서 진동이 전해지는 유형에 따라 종파, 횡파, 표면파 등으로 다양하게 나눌 수 있다. 초음파의 전달은 지진파가 지구 내부나 표면을 통해 전파되는 원리와 같다. 초음파는 기본적으로 탄성파이므로 반드시 매질이 필요하다. 즉 빛과 같은 전자기파와 달리 초음파는 진공 속에서는 전파되지 못한다. 또한 초음파는 진행하는 매질의 구성 밀도에 전파속도가 의존되는데, 대체적으로 기체, 액체, 고체 순으로 속도가 빨라진다.
초음파를 이용한 비파괴검사의 기본 원리는 박쥐나 잠수함이 어둠 속이나 물속에서 안전하게 이동하듯이, 발사된 초음파가 진행 중에 특정 물체에서 반사되어 되돌아온 신호(signal)을 평가하는 pulse-echo 방법을 기본적으로 이용한다. 물론 경우에 따라서는 초음파 송신부와 수신부를 반대편에 두는 투과법을 이용하기도 한다.
초음파탐상 검사는 피검체의 두께 측정, 내부의 불연속성 즉 응력이 집중되어 파손을 일으키는 원인이 되는 결함의 탐상, 또는 탄성계수나 결정립도와 같은 재질의 물리적 제특성 파악 등에 사용된다. 따라서 각종 플랜트의 정기검사, 건축물이나 교량 등 구조물의 안전성 확인, 항공기나 선박 등의 안전성 검사 및 유지 보수에 활발히 적용되고 있다.
고체 피검체를 대상으로 하는 초음파탐상에서는 탐촉자에서 발생시킨 초음파를 시험체로 전달해 주어야 한다. 이를 위해서는 Couplant로써 액체 형태의 접촉매질이 필요하다. 그러나 피검체의 온도가 높거나 혹은 검사 이후 잔유 수분으로 인한 산화가 우려되는 경우에는 비접촉식을 사용할 필요가 있다. 이러한 경우에 사용되는 기술 중의 레이저초음파와 EMAT 기술이 있다. 물론 Air-coupled 초음파 활용 방안도 있지만 매우 제한적인 환경 하에서만 활용이 가능하다.
먼저 레이저초음파는 레이저를 피검체에 조사 시켜 thermoelastic 및 ablation mechanism에 의해 피검 물체에 초음파를 발생시키는 원리를 활용한다. 특히 고출력 레이저 빔에 의해 ablation 영역에서 발생되는 레이저 초음파는 lift-off가 큰 환경에서도 사용 가능하므로 remote 탐상 방식으로 유용하다 할 수 있다. 또한 Lorentz 원리를 이용하는 EMAT(electro-magnetic acoustic transducer)와 강자성 피검체의 자왜 현상을 이용하는 MsS(magnetostrictive sensor) 기술도 비접촉식 초음파 발생 및 수신 법으로 활용될 수 있다. 다만, 피검체와 송수신 탐촉자의 이격 거리인 lift-off가 수 mm에 불과하고 주변 전자기 노이즈에 민감하므로 활용에 주의를 기울여야 한다.
판재 피검체의 경우에는 유도초음파라는 독특한 초음파 형상이 유기된다. 즉, 파장 정도로 두께가 얇은 판재에서는 두 표면이 경계면으로 작용하여, 판 내부에서 표면으로 입사하는 파와 표면에서 반사하는 파가 서로 결합하여 판을 따라 전파하는 탄성파를 형성한다. 유도 초음파는 넓은 주파수 영역에 걸쳐 무한개의 모드가 존재하며, 대부분의 모드는 진동수와 벽면의 두께에 따라 전파 속도가 변화하는 분산성 특성을 가진다. 유도 초음파 모드의 분산 특성을 나타내는 분산곡선을 구하여 수신된 유도초음파를 해석하면 판재나 배관 구조물에 있어서 장범위에 걸쳐 결함 존재 여부를 평가할 수 있다.
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