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문제 정의
- 본 연구에서는 Mishiro의 실험방법과 마찬가지로 여러 함수율의 모델시편을 만들어 수분경사가 초음파전달 특성에 어떠한 영향을 미치는가를 조사하였다. Mishiro(1995)fe 2.
가설 설정
- 시편의 함수율을 측정하지 않았으나 실온에서 오랜 동안 방치하였기 때문에 기건 함수율을 가지고 있을 것으로 추정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 실제 목재등급판정에 사용되는 저주파수대 탐촉자를 사용하였으며 실험 중 초음파 파형의 변화를 탐지하였다. 저주파수대 탐촉자는 직경이 크기 때문에 시편의 횡단면이 작으면 탐촉자와 시편의 접촉면적이 작아지므로 충분히 큰 출력을 낼 수 없다.
- 기건 정단판재의 심재와 변재에서 두 개씩의 시편을 떼어낸 후 사면 대패하여 초기시편 규격인 가로 5㎝, 세로 5㎝, 길이 20㎝가 되도록 만들었다. 아래 2.
- 아래 2.2.3항에 설명한대로 PUNDIT와 오실로스코프를 이용하여 이 초기시편의 초음파 전달시간과 파형을 측정한 다음, 이 시편의 가로를 1㎝ 잘라 5X4 시편을 만들어 같은 방법으로 초음파 전달시간과 파형을 측정하였다. 이같이 하여 5X5, 5X4, 5X3, 5X2, 4X2, 3X2, 2X2의 7가지 단면적의 초음파 전달시간과 파형을 측정하였다.
- 3항에 설명한대로 PUNDIT와 오실로스코프를 이용하여 이 초기시편의 초음파 전달시간과 파형을 측정한 다음, 이 시편의 가로를 1㎝ 잘라 5X4 시편을 만들어 같은 방법으로 초음파 전달시간과 파형을 측정하였다. 이같이 하여 5X5, 5X4, 5X3, 5X2, 4X2, 3X2, 2X2의 7가지 단면적의 초음파 전달시간과 파형을 측정하였다. 하나의 시편으로 점차 규격을 줄여가면서 측정하므로 써 각 횡단면 규격마다 시편을 따로 만들어 생길 수 있는 시편간 오차를 줄였다.
- 5㎝, 길이 15㎝의 시편 21개를 만들었다. 시편을 3개씩 7그룹으로 나누어 각 그룹을 흡습시키거나 방습 시켜 목표 함수율 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 0% 로 만들었다. 각 그룹에서 한 개씩은 함수율 시편으로 전건시켜 각 그룹의 정확한 함수율을 아는데 사용하였다.
- 시편을 3개씩 7그룹으로 나누어 각 그룹을 흡습시키거나 방습 시켜 목표 함수율 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 0% 로 만들었다. 각 그룹에서 한 개씩은 함수율 시편으로 전건시켜 각 그룹의 정확한 함수율을 아는데 사용하였다.
- 예를 들면 표층에 30%시편 2개, 중층에 20%시편 2개 그리고 중앙에 5%시편 1개를 포개어 샌드위치 형태로 만들었다. 5 개 시편을 적층하여 수분경사시편을 만들었으므로 총 35개의 함수율 조합을 만들 수 있었으며 각 함수율조합의 표층시편과 내층시편의 순서를 바꾸므로 또 6 개의 조합을 만들 수 있다. 따라서 총 210개의 수분 경사 시편을 사용하여 초음파 즉정을 실시하였다.
- 초음파 장비인 PUNDIT를 사용하여 초음파 전달 시간을 측정하였으며 전달된 파형은 오실로스코프에 저장하였다. 본 연구에 사용된 초음파 측정장비는 영국 CNC Electronic사의 PUNDIT (Portable Ultrasonic Non-destractive Digital Indicating Tester) 로 크게 초음파 발생 장치, 한 쌍의 압전 탐촉자 (piezoelectric transducer) 와 동축 케이블로 구성되어 있다.
- 않았다. 수분경사가 존재하는 목재 내를 초음파가 투과할 때 표층과 내층 중 어느 곳의 함수율에 영향 받는지를 알기 위해 각 시편의 다섯 개 소편 중 내층 3개 소편의 평균 함수율에 대한 초음파전달속도를 조사하였다. 그 결과를 그림 4에 나타냈는데 홍미로운 사실은 평균 함수율에 따라 분포 형태가 다르다는 것이다.
- Radiata pine 심재와 변재의 이용하여 목재 시편의 단면적과 수분경사가 초음파 전달속도와 파형 둥에 미치는 효과를 조사하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 조사하였다. Mishiro(1995)fe 2.5MHz의 높은 주파수대의 초음파탐촉자를 사용하였으나 본 실험에서는 54kHz의 저주파수대를 사용하였다. 주파수가 높을수록 음파의 직진성이 강하나 감쇄가 심하다.
- 본 연구에 사용된 공시수종은 radiata pine(Pinus radial)으로 인근 제재소에서 원목을 제재한 무결점 정목 재를 구입하여 사용하였다.
- 기건 경단판재를 사면 대패하여 폭 5.0㎝, 두께 0.5㎝, 길이 15㎝의 시편 21개를 만들었다. 시편을 3개씩 7그룹으로 나누어 각 그룹을 흡습시키거나 방습 시켜 목표 함수율 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 0% 로 만들었다.
- 시편은 각 함수율 당 1쌍씩 총 14개를 사용하여 5 층의 수분경사시편을 만들었다. 예를 들면 표층에 30%시편 2개, 중층에 20%시편 2개 그리고 중앙에 5%시편 1개를 포개어 샌드위치 형태로 만들었다.
- 5 개 시편을 적층하여 수분경사시편을 만들었으므로 총 35개의 함수율 조합을 만들 수 있었으며 각 함수율조합의 표층시편과 내층시편의 순서를 바꾸므로 또 6 개의 조합을 만들 수 있다. 따라서 총 210개의 수분 경사 시편을 사용하여 초음파 즉정을 실시하였다.
- 본 연구에 사용된 초음파 측정장비는 영국 CNC Electronic사의 PUNDIT (Portable Ultrasonic Non-destractive Digital Indicating Tester) 로 크게 초음파 발생 장치, 한 쌍의 압전 탐촉자 (piezoelectric transducer) 와 동축 케이블로 구성되어 있다.
- 2kV를 사용하였으며, 초당 10개의 burst 신호를 발생시키도록 조절하였다. 직경 50 mm, 길이 38 mm, 공진 주파수 54 kHz의 종파 압전 탐촉자를 송신과 수신에 모두 사용하였으며 고밀도 그리스를 couplant로 사용하였다. 전달시간의 보정은 직경 50mm, 길이 158mm의 황동 보정쇠를 사용하였으며 전달시간이 25.
- 직경 50 mm, 길이 38 mm, 공진 주파수 54 kHz의 종파 압전 탐촉자를 송신과 수신에 모두 사용하였으며 고밀도 그리스를 couplant로 사용하였다. 전달시간의 보정은 직경 50mm, 길이 158mm의 황동 보정쇠를 사용하였으며 전달시간이 25.7us를 나타내도록 교정하여 사용하였다.
- 사용된 오실로스코프는 FLUKE PM2284B 로 100MHz, 4CH의 아날로그/디지탈 겸용으로 파형을 50개까지 동시에 저장할 수 있으며 RS232c Inter- face를 통해 PC와 교통할 수 있다.
성능/효과
- 초음파 전달속도는 탄성계수의 제곱근에 비례하고 밀도의 제곱근에 반비례하므로 밀도만 볼 때 밀도가 증가하면 초음파 전달속도가 감소하여야 하나, 목재는 밀도가 증가하면 탄성계수도 따라서 증가한다. 본 실험결과는 탄성계수의 증가가 밀도의 증가보다 컸기 때문에 초음파 전달속도가 증가하였음을 보여준다.
- 변재 모두 감소하였다. 탐촉자의 직경이 5㎝ 이므로 5x5 시편의 측정치를 기준하면, 횡단면적이 5 X5에서 2x2로 변함에 따라 변재2는 초음파 전달속도가 8% 감소하였으며 심재1과 2는 각각 4%와 5% 감소하였다. 변재1은 5X5 시편의 초음파 전달속도를 신뢰할 수 없어 두 번째 시편인 5X4 시편 값을 기준할 때 4%의 감소를 나타냈다.
- 나타났다. 즉 내층 함수율이 평균 함수율보다 높으면 내층 함수율 증가에 따라 초음파 전달속도가 감소하였으며, 내층 함수율이 평균 함수율보다 낮으면 표층 함수율 증가에 따라 초음파 전달속도가 감소하였다.
- 1) 초음파 전달속도는 심재가 변재보다 높았는데 이는 밀도차에 기인하는 것으로 밝혀졌다.
- 2) 횡단면적이 감소할수록 초음파 전달속도는 심재와 변재 모두 4-8% 감소하였다.
- 3) 투과 초음파의 파형은 횡단면적이 넓을 때는 낮은 주파수 파가 주를 이루나 횡단면적이 좁을 때는 높은 주파수 파가 주를 이루었다. 즉 횡단면적이 좁아지면 저주파수 파는 손실되고 고주파 파만 남게 되었다.
- 5) 평균 함수율에 따라 수분경사에 대한 초음파전달속도의 분포도가 다르게 나타났다.
- 4) 평균 함수율이 같은 시편도 수분경사가 다르면 초음파 전달속도가 다르게 나타났다.
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