임의의 등방성재료에 대한 종파, 횡파 및 누설표면파의 음속을 알면 해석적으로 그 재료의 탄성정수와 밀도를 산출할 수 있다. 종래, 그 음속들은 각각 다른 진동모드를 갖는 세 개의 초음파 트랜스듀서에 의해 측정되어져 왔다. 본 연구에서는 하나의 트랜스듀서에 의해 그 세 가지 파의 개략적인 음속을 동시에 측정하기위한 전극분할형 PVDF 직선집속 초음파 트랜스듀서를 새로이 제안하고, 설계, 제작하였다. 그리고 그것에 의한 각 파의 음속측정 방법을 확립한 후, 용융석영 등 몇몇 등방성재료에 적용하였다. 또한, 측정된 각 파의 음속을 이용하여 탄성 강성정수 및 밀도를 산출하고, 각 값들의 오차를 검토하였는데, 얻어진 값들은 문헌치와 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.
임의의 등방성재료에 대한 종파, 횡파 및 누설표면파의 음속을 알면 해석적으로 그 재료의 탄성정수와 밀도를 산출할 수 있다. 종래, 그 음속들은 각각 다른 진동모드를 갖는 세 개의 초음파 트랜스듀서에 의해 측정되어져 왔다. 본 연구에서는 하나의 트랜스듀서에 의해 그 세 가지 파의 개략적인 음속을 동시에 측정하기위한 전극분할형 PVDF 직선집속 초음파 트랜스듀서를 새로이 제안하고, 설계, 제작하였다. 그리고 그것에 의한 각 파의 음속측정 방법을 확립한 후, 용융석영 등 몇몇 등방성재료에 적용하였다. 또한, 측정된 각 파의 음속을 이용하여 탄성 강성정수 및 밀도를 산출하고, 각 값들의 오차를 검토하였는데, 얻어진 값들은 문헌치와 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.
If the velocities of longitudinal, transverse and leaky surface acoustic waves in an isotropic material are given, the elastic constants and density of the material can be deduced analytically. Those velocities have been measured using three ultrasonic transducers with different vibrational modes so...
If the velocities of longitudinal, transverse and leaky surface acoustic waves in an isotropic material are given, the elastic constants and density of the material can be deduced analytically. Those velocities have been measured using three ultrasonic transducers with different vibrational modes so far. In this paper a line-focusing PVDF transducer with divided electrodes was newly proposed and designed for measuring approximate velocities of the three waves. The measurement method established in this study for each waves using the transducer was applied to several isotropic materials including fused quartz. The elastic stiffness constants and densities of the materials were calculated using the measured velocities, and the accuracies were discussed. It was shown that the obtained results are in good accord with the reference values.
If the velocities of longitudinal, transverse and leaky surface acoustic waves in an isotropic material are given, the elastic constants and density of the material can be deduced analytically. Those velocities have been measured using three ultrasonic transducers with different vibrational modes so far. In this paper a line-focusing PVDF transducer with divided electrodes was newly proposed and designed for measuring approximate velocities of the three waves. The measurement method established in this study for each waves using the transducer was applied to several isotropic materials including fused quartz. The elastic stiffness constants and densities of the materials were calculated using the measured velocities, and the accuracies were discussed. It was shown that the obtained results are in good accord with the reference values.
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문제 정의
본 연구에서는 종파, 횡파 및 누설표면파 속도를 하나의 프로브에 의해 측정할 수 있는 전극분할형 PVDF 직선집속 초음파 트랜스듀서를 새로이 제안하고 설계 .
가설 설정
HL 전극분할형 작선집속 트랜스듀서 특성 그림 3은 제작한 트랜스듀서에 임펄스를 인가하고 소 개구각 구동을 했을 때의 초점면 반사파형의 계산치와 실측치를 각각 나타낸다. 계산에 있어서는, KLM 등가회 로 [10]를 이용하였는데, 집속 트랜스듀서의 초점면에서 반사되어오는 파는 기하학적으로 볼 때 모든 음선이 경 로 차에 기인하는 위상변화가 없는 것을 고려하여 평면 트랜스듀서와 동일하게 응답하는 것으로 가정되었다. 그 림 3(a)의 파형 및 스펙트럼의 계산치에 있어서는 매질 인 물의 감쇄를 고려하지 않았다.
HL 전극분할형 작선집속 트랜스듀서 특성 그림 3은 제작한 트랜스듀서에 임펄스를 인가하고 소 개구각 구동을 했을 때의 초점면 반사파형의 계산치와 실측치를 각각 나타낸다. 계산에 있어서는, KLM 등가회 로 [10]를 이용하였는데, 집속 트랜스듀서의 초점면에서 반사되어오는 파는 기하학적으로 볼 때 모든 음선이 경 로 차에 기인하는 위상변화가 없는 것을 고려하여 평면 트랜스듀서와 동일하게 응답하는 것으로 가정되었다. 그 림 3(a)의 파형 및 스펙트럼의 계산치에 있어서는 매질 인 물의 감쇄를 고려하지 않았다.
제안 방법
전극분할형 PVDF 트랜스듀서 구조 그림 1은 본 연구에서 제안하는 전극분할형 PVDF 트 랜스듀서의 구조를 나타낸다. 개구인 곡면에 부착된 PVDF 압전막의 한쪽 전극을 그림과 같이 3등분한 후, 중앙을 제외한 양쪽의 전극을 서로 연결하여 동시에 동 작하도록 한 것이다. 이 트랜스듀서는 그림에서 나타낸 C와 GND, (E+C)와 GND의 2가지 연결 형태로 사용할 수 있으며, C와 GND를 사용할 경우 중앙부만 구동하는 소개구각 (개구반각 13°), (E+C)와 GNIS를 사용할 경우 대개구각 (개구반각 50°) 직선집속 트랜스듀서가 된다.
전극분할형 PVDF 트랜스듀서 구조 그림 1은 본 연구에서 제안하는 전극분할형 PVDF 트 랜스듀서의 구조를 나타낸다. 개구인 곡면에 부착된 PVDF 압전막의 한쪽 전극을 그림과 같이 3등분한 후, 중앙을 제외한 양쪽의 전극을 서로 연결하여 동시에 동 작하도록 한 것이다. 이 트랜스듀서는 그림에서 나타낸 C와 GND, (E+C)와 GND의 2가지 연결 형태로 사용할 수 있으며, C와 GND를 사용할 경우 중앙부만 구동하는 소개구각 (개구반각 13°), (E+C)와 GNIS를 사용할 경우 대개구각 (개구반각 50°) 직선집속 트랜스듀서가 된다.
그 변화로부터 초점면이 시료표면과 일치했을 때의 P-P 및 P-S (또는 S-P) 성분의 도달시간을 도출, 그 시간과 시료 두께로부터 종파 및 횡파의 음속을 구하였다.
이에, 본 연구에서는 종파, 횡파 및 LSAW의 개략적인 속도를 하나의 트랜스듀서에 의해 측정할 수 있는 전극이 분할 된 PVDF 직선집속 초음파 트랜스듀서를 새로이 설계, 제작하고, 그에 의한 각 파의 음속측정 방법을 확립한 후, 용융석영 등 몇몇 등방성 재료에 적용하였다. 그리 고, 측정된 음속을 이용하여 그 재료의 강성상수 및 밀 도를 산출, 문헌치와 비교하였다. II.
그리고 측정된 각 파의 음속을 이용하여 개략적인 시료의 탄성정수 및 밀도를 이론적으로 산출하였다.
이에, 본 연구에서는 종파, 횡파 및 LSAW의 개략적인 속도를 하나의 트랜스듀서에 의해 측정할 수 있는 전극이 분할 된 PVDF 직선집속 초음파 트랜스듀서를 새로이 설계, 제작하고, 그에 의한 각 파의 음속측정 방법을 확립한 후, 용융석영 등 몇몇 등방성 재료에 적용하였다. 그리 고, 측정된 음속을 이용하여 그 재료의 강성상수 및 밀 도를 산출, 문헌치와 비교하였다. II.
로 가정하고, 시료의 개략적인 음속 및두께와 물에서의 음속으로부터 밑면에 집속되기 위한 山을 추정, 먼저 그 만큼 defocus 시켜 수신되는 각 파의 성분을 확인한 다음, 다시 초점면에 시료의 표면이 오도록 이동시키면서 일정 간격으로 A-모드의 파형을 측정, 기록하였다.
그러나 종래, 종파의 측정에는 두께모드, 횡파의 측정에는 횡모드 진동을 하는 평면 트랜스듀서가 사용되 고, LSAW의 측정에는 대개구각의 집속형 초음파 트랜 스듀서가 주로 사용되므로, 그 세 가지 파의 속도를 구 하기 위해서는 세 개의 트랜스듀서가 필요하다. 이에, 본 연구에서는 종파, 횡파 및 LSAW의 개략적인 속도를 하나의 트랜스듀서에 의해 측정할 수 있는 전극이 분할 된 PVDF 직선집속 초음파 트랜스듀서를 새로이 설계, 제작하고, 그에 의한 각 파의 음속측정 방법을 확립한 후, 용융석영 등 몇몇 등방성 재료에 적용하였다. 그리 고, 측정된 음속을 이용하여 그 재료의 강성상수 및 밀 도를 산출, 문헌치와 비교하였다.
그러나 종래, 종파의 측정에는 두께모드, 횡파의 측정에는 횡모드 진동을 하는 평면 트랜스듀서가 사용되 고, LSAW의 측정에는 대개구각의 집속형 초음파 트랜 스듀서가 주로 사용되므로, 그 세 가지 파의 속도를 구 하기 위해서는 세 개의 트랜스듀서가 필요하다. 이에, 본 연구에서는 종파, 횡파 및 LSAW의 개략적인 속도를 하나의 트랜스듀서에 의해 측정할 수 있는 전극이 분할 된 PVDF 직선집속 초음파 트랜스듀서를 새로이 설계, 제작하고, 그에 의한 각 파의 음속측정 방법을 확립한 후, 용융석영 등 몇몇 등방성 재료에 적용하였다. 그리 고, 측정된 음속을 이용하여 그 재료의 강성상수 및 밀 도를 산출, 문헌치와 비교하였다.
제작하여, 그 임펄스 응답과 음장해석을 통해 특성을 파악하였으며, 용융석영, 알루미늄, 구리 등 몇몇 등방성 시료에 적용하여 각 파의 음속을 측정하였다.
종파 및 횡파의 음속 측정 벌크파인 종파 및 횡파의 음속측정에는 기본적으로 펄 스반사법을 이용한다. 즉, 트랜스듀서를 소개구각으로 구동시켜 음향에너지의 일부를 시료내부로 투과시킨 다 음, 밑면에서 반사되어오는 파의 시간차와 시료의 두께 를 이용하여 측정하는 것이다. 그림 5는 측정에 사용되 는 펄스와 관련된 모식도로서, 매우 짧은 펄스를 발생시 키는 광대역 트랜스듀서의 초점면에 두께 d인 얇은 시료 의 표면을 일치시켰을 경우와 시료를 만큼 트랜스듀 서 쪽으로 접근시켰을 때의 음선경로 및 수신파열을 나 타낸다.
종파 및 횡파의 음속 측정 벌크파인 종파 및 횡파의 음속측정에는 기본적으로 펄 스반사법을 이용한다. 즉, 트랜스듀서를 소개구각으로 구동시켜 음향에너지의 일부를 시료내부로 투과시킨 다 음, 밑면에서 반사되어오는 파의 시간차와 시료의 두께 를 이용하여 측정하는 것이다. 그림 5는 측정에 사용되 는 펄스와 관련된 모식도로서, 매우 짧은 펄스를 발생시 키는 광대역 트랜스듀서의 초점면에 두께 d인 얇은 시료 의 표면을 일치시켰을 경우와 시료를 만큼 트랜스듀 서 쪽으로 접근시켰을 때의 음선경로 및 수신파열을 나 타낸다.
대상 데이터
그림 3(b)는 실측치 (B)와 그림 3(a)의 계산치에 20笆의 물에 대한 주파수별 감쇄(H)를 고려한 것(C)을 같이 표시하였는데, 그 둘은 비교적 잘 일치함을 알 수 있다. 본 연구에서 제작된 트랜스듀서는 PVDF 압전층과 음 향임피던스가 같은 배면층을 갖는 구조이며, 이 경우 방 사되는 펄스의 길이는 최소가 되는데, 그림 3의 파형에 서 알 수 있는 바와 같이 제작된 트랜스듀서는 수중에 한 사이클의 중심주파수 약 14.2価%- 6dB기준의 비대 역이 약 152%인 광대역 펄스를 발생시킨다. 제작된 트랜스듀서가 소개구각과 대개구각으로 각각 구동될 경우의 음장계산 결과를 그림 4(a) 및 (b) 에 각각 나타내었다.
그림 3(b)는 실측치 (B)와 그림 3(a)의 계산치에 20笆의 물에 대한 주파수별 감쇄(H)를 고려한 것(C)을 같이 표시하였는데, 그 둘은 비교적 잘 일치함을 알 수 있다. 본 연구에서 제작된 트랜스듀서는 PVDF 압전층과 음 향임피던스가 같은 배면층을 갖는 구조이며, 이 경우 방 사되는 펄스의 길이는 최소가 되는데, 그림 3의 파형에 서 알 수 있는 바와 같이 제작된 트랜스듀서는 수중에 한 사이클의 중심주파수 약 14.2価%- 6dB기준의 비대 역이 약 152%인 광대역 펄스를 발생시킨다. 제작된 트랜스듀서가 소개구각과 대개구각으로 각각 구동될 경우의 음장계산 결과를 그림 4(a) 및 (b) 에 각각 나타내었다.
이 트랜스듀서는 그림에서 나타낸 C와 GND, (E+C)와 GND의 2가지 연결 형태로 사용할 수 있으며, C와 GND를 사용할 경우 중앙부만 구동하는 소개구각 (개구반각 13°), (E+C)와 GNIS를 사용할 경우 대개구각 (개구반각 50°) 직선집속 트랜스듀서가 된다. 제작에 있어서, PVDF 압전막은 시판되고 있는 28 zzm 박막형 트랜스듀서 (Kynar Piezo Film사')를 사용하였 고, 배면체로서는 주파수 대역폭을 최대로 하기 위하여 압전성이 없는 벌크의 PVDF 봉을 사용하였다. 곡률반경 14mm로 가공된 배면체와 PVDF 압전막은 에폭시 (EP0TEK 301)를 사용하여 접착시켰고, 배면체의 길이 는 다중반사가 생기지 않도록 충분히 길게 하였다.
이 트랜스듀서는 그림에서 나타낸 C와 GND, (E+C)와 GND의 2가지 연결 형태로 사용할 수 있으며, C와 GND를 사용할 경우 중앙부만 구동하는 소개구각 (개구반각 13°), (E+C)와 GNIS를 사용할 경우 대개구각 (개구반각 50°) 직선집속 트랜스듀서가 된다. 제작에 있어서, PVDF 압전막은 시판되고 있는 28 zzm 박막형 트랜스듀서 (Kynar Piezo Film사')를 사용하였 고, 배면체로서는 주파수 대역폭을 최대로 하기 위하여 압전성이 없는 벌크의 PVDF 봉을 사용하였다. 곡률반경 14mm로 가공된 배면체와 PVDF 압전막은 에폭시 (EP0TEK 301)를 사용하여 접착시켰고, 배면체의 길이 는 다중반사가 생기지 않도록 충분히 길게 하였다.
이론/모형
제작된 트랜스듀서가 소개구각과 대개구각으로 각각 구동될 경우의 음장계산 결과를 그림 4(a) 및 (b) 에 각각 나타내었다. 음장의 계산에 있어서는 RayleighSommerfeld의 회절공식［12］를 이용하였다. 소개구각 구 동의 경우 초점 부근에서 평면파에 가까운 음장영역이 형성됨을 알 수 있는데, 그 초점심도는 약 6.
제작된 트랜스듀서가 소개구각과 대개구각으로 각각 구동될 경우의 음장계산 결과를 그림 4(a) 및 (b) 에 각각 나타내었다. 음장의 계산에 있어서는 RayleighSommerfeld의 회절공식［12］를 이용하였다. 소개구각 구 동의 경우 초점 부근에서 평면파에 가까운 음장영역이 형성됨을 알 수 있는데, 그 초점심도는 약 6.
1. 종파 및 횡파의 음속 측정 벌크파인 종파 및 횡파의 음속측정에는 기본적으로 펄 스반사법을 이용한다. 즉, 트랜스듀서를 소개구각으로 구동시켜 음향에너지의 일부를 시료내부로 투과시킨 다 음, 밑면에서 반사되어오는 파의 시간차와 시료의 두께 를 이용하여 측정하는 것이다.
성능/효과
각 시료에서 측정치와 계산치는 오차 1%이내로 잘 일치함을 알 수 있다.
제작에 있어서, PVDF 압전막은 시판되고 있는 28 zzm 박막형 트랜스듀서 (Kynar Piezo Film사')를 사용하였 고, 배면체로서는 주파수 대역폭을 최대로 하기 위하여 압전성이 없는 벌크의 PVDF 봉을 사용하였다. 곡률반경 14mm로 가공된 배면체와 PVDF 압전막은 에폭시 (EP0TEK 301)를 사용하여 접착시켰고, 배면체의 길이 는 다중반사가 생기지 않도록 충분히 길게 하였다. 그림 2는 제작된 트랜스듀서의 3D 모형도 및 사진이 다.
제작에 있어서, PVDF 압전막은 시판되고 있는 28 zzm 박막형 트랜스듀서 (Kynar Piezo Film사')를 사용하였 고, 배면체로서는 주파수 대역폭을 최대로 하기 위하여 압전성이 없는 벌크의 PVDF 봉을 사용하였다. 곡률반경 14mm로 가공된 배면체와 PVDF 압전막은 에폭시 (EP0TEK 301)를 사용하여 접착시켰고, 배면체의 길이 는 다중반사가 생기지 않도록 충분히 길게 하였다. 그림 2는 제작된 트랜스듀서의 3D 모형도 및 사진이 다.
그 결과, 각 파의 음속은 ±3%, 탄성정수와 밀도는 +4% 이내에서 문헌치와 일치함을 알 수 있었다.
따라서, 본 연구에서 제안하는 트랜스듀서 및 그것을 이용한 측정방법은 실용적 측면에서 매우 유용하다고 할 수 있다.
후속연구
금후 오차의 원인에 대한 정밀한 분석을 통한 측정정도 개선과 더불어 비등방성 재료에의 적용을 위한 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.
참고문헌 (15)
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윤혁준, 하강렬, 김무준 윤종락, 'PVDF 직선집속 초음파 트랜스듀서에 의한 누설탄성표면파 속도 측장', 한국음향학회지 제 20권 1호, 62-67 (2001)
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