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문제 정의
- 따라서 본 연구는 과실을 절단하지 않고 비파괴 평가가가능한 초음파 변환기를 개발하기 위해 수행되었다.
- 본 연구는 과실의 비파괴 평가에 적합한 초음파 변환기를 제작하기 위하여 수행되었다. 최적 초음파 변환기 제작 조건을 검토하기 위해 KLM 모델을 적용하였다.
- 본 연구에서는 100 kHz 및 200 kHz의 공진 주파수를 갖는 2종류의 초음파 변환기를 제작하였다.
제안 방법
- vor. 6.0(The MathWorks Inc., USA)을 이용하여 개발하였으며 초음파 변환기 제작을 위해 선정된 재료가 등방성 재료일 때 압전소자와 전면 정합층, 후면재에 대한 설계 조건을 적용하여 실제 초음파 변환기를 제작하지 않고도 최적에 가까운 초음파 변환기 제작 조건을 찾을 수 있도록 하였다.
- 각각의 제작 조건에 따른 초음파 변환기의 성능을 평가하기위해 초음파를 과실에 투과시켜 반대쪽에서 수신하는 초음파투과 시험법을 적용하였다. 초음파 투과 시험을 위하여 적용된 초음파 송수신용 장비는 RITEC Inc.
- 따라서 아크릴 마모판과 표 1의 4가지 압전소자를 이용하여 초음파 변환기를 제작하였으며 후면 재는 에폭시만을 사용하였다. 각각의 초음파 변환기를 이용하여 사과에 대한 투과 실험을 수행하였다.
- 나타나 제외하였다. 따라서 아크릴 마모판과 표 1의 4가지 압전소자를 이용하여 초음파 변환기를 제작하였으며 후면 재는 에폭시만을 사용하였다. 각각의 초음파 변환기를 이용하여 사과에 대한 투과 실험을 수행하였다.
- 한다. 따라서 제작하고자 하는 과실용 초음파 변환기는 그림 1과 같이 과실의 물리적인 특성에 적합한 구조를 갖도록 하였으며 두께 진동모드의 빔 집속형 종파용 초음파 변환기를 설계하였다. 이때 제작하고자하는 초음파 변환기의 첫 번째 공진주파수(fr)는 압전소자의 두께와 초음파 속도의 함수로서 다음과 같이 계산된다.
- 송수신 효율이 우수한 최적의 초음파 변환기를 개발하기 위해 4가지 압전소자와 3가지 종류의 마모판을 적용하여 비교하였다. 또한 최적의 수신 감도를 갖는 후면재 조건을 찾기 위해 다양한 조건의배합 비율을 적용하여 초음파 변환기를 제작한 후 사과에 대한 초음파 투과시험을 수행하여 특성을 평가하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다
- 최적 초음파 변환기 제작 조건을 검토하기 위해 KLM 모델을 적용하였다. 송수신 효율이 우수한 최적의 초음파 변환기를 개발하기 위해 4가지 압전소자와 3가지 종류의 마모판을 적용하여 비교하였다. 또한 최적의 수신 감도를 갖는 후면재 조건을 찾기 위해 다양한 조건의배합 비율을 적용하여 초음파 변환기를 제작한 후 사과에 대한 초음파 투과시험을 수행하여 특성을 평가하였다.
- KLM 모델에서는 압전소자의 음향부분을 전송선로로 가정함으로써 압전소자와 마모판S이 직렬로 연결된 경우에도 물리적 해석이 쉽다는 장점이 있다. 시뮬레이션을 위하여 개발된 프로그램은 정합층이 하나인 KLM 모델을 이용하여 초음파 변환기를 회로망 형태로 구성한 후 왕복전달함수로 표현하여 초음파 변환기의 임펄스 응답을 얻는다. 이러한 시뮬레이션 과정을 통해 초음파 변환기 제작에 필요한 최적 설계변수와 응답 신호 예측이 가능하다.
- 실험 방법은 표 2에서 선정된 3가지 마모판 재료를 이용하여 제작된 초음파 변환기의 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과를 비교하였다. 제작된 초음파 변환기의 압전소자와 후면재는 K-2 압전소자와 4 MRayL 후면재를 사용하였다.
- 200 kHz 초음파 변환기의 압전소자는 직경이 20 g 두께가 10 mm로서 100 kHz 초음파 변환기 크기를 작게 제작할 수 있다. 이때 마모판은 테프론으로 하였으며 후면재의 제작조건은 에폭시와 텅스텐 분말을 1 : 2로 배합하여 제작하였다. 그림 8은 200 kHz 변환기를 이용한 사과 투과 신호를 나타낸다.
- 24 MRayl 범위로 계산되었다. 이러한 범위의 음향 임피던스를 가지는 재료로서 테프론, 아크릴 그리고 실리콘 고무에 텅스텐 입자를 배합하여 제작한 재료를 선정하여 각각의 특성을 비교하였다. 표 2는 본 연구에서 선정된 마모판 재료에 대한 초음파 속도와 밀도 음향 임피던스를 측정한결과를 나타낸다.
- 또한 과실 시편을 투과하여 수신되는 초음파신호의 중심 주파수는 대체적으로 100 kHz 이하인 것으로 나타났다. 이와 같이 초음파의 감쇠가 심하게 나타나는 과실의특성을 고려하여 본 연구에서는 초음파 발생특성을 나타내는 d33 값과 초음파 수신특성을 나타내는 g33 값이 큰 PZT 계열의 압전소자를 표 1과 같이 선정하였다.
- 초음파 변환기의 최적 설계 값들을 찾기 위해 KLM 모델과 전송선로 이론을 이용하여 전면정합층, 후면재의 조건들을 바꾸어 가면서 초음파 변환기의 응답신호를 분석하였다. 박 판형 압전소자의 전기-기계 결합 효과를 해석하기 위해 개발된 KLM 모델은 그림 2와 같이 표현된다(Krimholz et al.
대상 데이터
- 표 2는 본 연구에서 선정된 마모판 재료에 대한 초음파 속도와 밀도 음향 임피던스를 측정한결과를 나타낸다. 마모판의 두께는 설계 주파수가 100 kHz 일 때 파장의 1/4 배를 고려하여 약 4.3 mm로 제작하였으며설계 주파수 200 kHz에서는 약 2.1 mm로 제작하였다. 또한과실과 접촉하는 마모판은 과실과의 접촉 면적을 최대한로하기 위해 과실의 곡률을 고려하여 곡률 반경을 약 60 mm로제작하였다.
- 시뮬레이션을 위해 사용된 실험 대상체는 지름 50 mm, 길이 63 mm의 알루미늄 봉을 사용하였으며 실험 방법은 투과법을 사용하였다 투과 대상을 과실로 하지 않고 금속을 사용한 것은 투과 대상의 물리적 성질 중 음향 임피던스와 투과속도만을 이용하는 KLM 모델에서는 과실의 점탄성, 비선형 특성을 나타낼 수 없으므로 잘 알려진 금속인 알루미늄을 투과 대상으로 선정하였다.
- 그림 6(a)는 K-2 압전소자와 아크릴 마모판으로 제작된 초음파 변환기의 실험 결과로 후면재의 음향 임피던스가 낮아서 초음파 가진 신호가 크게 나타나고 있다. 시험에 사용된 사과는 직경이 약 100 mm인 후지사과로서 사과를 투과한 초음파 신호가 약 500 us 부근에서 미약하게 수신되었다. 사과를 투과하여 수신된 초음파 신호가 초음파 가진 신호에 중첩되어 투과 신호를 구분하기가 어려우므로 적절한 후면재의 선택이 필요한 것으로 나타났다.
- 비교하였다. 제작된 초음파 변환기의 압전소자와 후면재는 K-2 압전소자와 4 MRayL 후면재를 사용하였다.
- 지금까지의 100 kHz 초음파 변환기의 최적 제작 조건을 토대로 하여 중심 주파수가 200 KHz인 초음파 변환기를 제작하였다. 200 kHz 초음파 변환기의 압전소자는 직경이 20 g 두께가 10 mm로서 100 kHz 초음파 변환기 크기를 작게 제작할 수 있다.
이론/모형
- 위하여 수행되었다. 최적 초음파 변환기 제작 조건을 검토하기 위해 KLM 모델을 적용하였다. 송수신 효율이 우수한 최적의 초음파 변환기를 개발하기 위해 4가지 압전소자와 3가지 종류의 마모판을 적용하여 비교하였다.
성능/효과
- 1. 과실에 적합한 초음파 변환기의 마모판으로서는 곡률을 가지는 형태로 가공한 테프론이 우수한 초음파 수신 특성을 나타내었다.
- 2. 100 kHz의 중심주파수를 가지는 초음파 변환기에서의최적 설계 조건은 압전소자 K-2, 테프론 마모판, 후면재는 에폭시 : 실리콘 카바이드(150 nm) : 텅스텐(1 nm) 의 배합배율이 1 : 2 : 1인 경우로 나타났다.
- 3. 최적 설계 조건으로 제작된 초음파 변환기를 이용하여 사과에 대한 투과 실험을 한 결과 사과를 투과한 초음파신호를 확인할 수 있었으며 사과를 투과한 초음파의 속도가 약 200 m/s로 계산되어 기존의 사과 과육에 대한 실험 결과와 일치하였다.
- 그림 5(a)에서 보는 바와 같이 시뮬레이션 결과는 우수한 수신 특성을 나타내고 있다. 그러나 실리콘 러버와 텅스텐 입자를 배합하여 제작한 마모판은 선정된다른 재료와 비슷한 음향 임피던스를 갖고 밀도도 높으나 마모판 내부에서 텅스텐 입자가 초음파를 산란 및 흡수하는 비등방성 재료이기 때문에 실제 실험 결과에서는 초음파 수신신호가 매우 미약하게 나타났다. 따라서 실리콘 러버와 텅스텐 입자를 배합하여 제작한 마모판은 초음파 변환기 제작 재료로는 부적합한 것으로 나타났다.
- 기존의 과실 시편에 대한 초음파 투과 실험 및 연구 결과를 분석한 결과 사과 배, 복숭아의 경우 과실 시편 내에 입사된초음파의 감쇠계수의 범위가 0.58 ~ 1.61 dB/mm로서 일반적인 공업용 재료 보다 매우 큰 감쇠특성을 나타내며 초음파속도가 195~232 m/s 범위로서 공기에서의 초음파 속도보다낮게 나타났다. 또한 과실 시편을 투과하여 수신되는 초음파신호의 중심 주파수는 대체적으로 100 kHz 이하인 것으로 나타났다.
- 그림 7(a) 는 P-2 압전소자로 제작된 초음파 변환기를 송수신용으로 사용한 실험결과를 나타내고 그림 7(b)는 K-2 압전소자로 제작된 초음파 변환기를 송수신용으로 사용한 실험 결과이다. 다른 제작 조건이 동일한 경우, P-2 압전소자로 제작된 초음파 변환기의 응답 신호크기는 약 0.08 V이고 K-2 압전소자로제작된 초음파 변환기의 응답신호크기는 약 0.13 V로 K-2 압전소자의 수신 감도가 더 우수한 것으로 나타났다.
- 그러나 실리콘 러버와 텅스텐 입자를 배합하여 제작한 마모판은 선정된다른 재료와 비슷한 음향 임피던스를 갖고 밀도도 높으나 마모판 내부에서 텅스텐 입자가 초음파를 산란 및 흡수하는 비등방성 재료이기 때문에 실제 실험 결과에서는 초음파 수신신호가 매우 미약하게 나타났다. 따라서 실리콘 러버와 텅스텐 입자를 배합하여 제작한 마모판은 초음파 변환기 제작 재료로는 부적합한 것으로 나타났다.
- 61 dB/mm로서 일반적인 공업용 재료 보다 매우 큰 감쇠특성을 나타내며 초음파속도가 195~232 m/s 범위로서 공기에서의 초음파 속도보다낮게 나타났다. 또한 과실 시편을 투과하여 수신되는 초음파신호의 중심 주파수는 대체적으로 100 kHz 이하인 것으로 나타났다. 이와 같이 초음파의 감쇠가 심하게 나타나는 과실의특성을 고려하여 본 연구에서는 초음파 발생특성을 나타내는 d33 값과 초음파 수신특성을 나타내는 g33 값이 큰 PZT 계열의 압전소자를 표 1과 같이 선정하였다.
- 시험에 사용된 사과는 직경이 약 100 mm인 후지사과로서 사과를 투과한 초음파 신호가 약 500 us 부근에서 미약하게 수신되었다. 사과를 투과하여 수신된 초음파 신호가 초음파 가진 신호에 중첩되어 투과 신호를 구분하기가 어려우므로 적절한 후면재의 선택이 필요한 것으로 나타났다.
- 투과 실험 결과 K-2 압전소자와 P-2 압전소자를 송수신 초음파 변환기로 사용하는 것이 우수한 수신 특성을 나타내었다. 그림 6(a)는 K-2 압전소자와 아크릴 마모판으로 제작된 초음파 변환기의 실험 결과로 후면재의 음향 임피던스가 낮아서 초음파 가진 신호가 크게 나타나고 있다.
후속연구
- 4. 100 kHz 초음파 변환기의 최적 제작조건을 200 kHz 초음파 변환기 제작에 적용한 결과 수신 감도는 100 kHz 변환기 보다 감소하였으나 초음파 변환기의 측정 주파수 대역이 넓어져 추후 초음파를 이용한 과실의 비파괴평가에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 그림 8은 200 kHz 변환기를 이용한 사과 투과 신호를 나타낸다. 그림 8에서 투과 신호의 수신 감도는 그림 7(a)의 100 kHz 변환기 보다 낮게 나타났으나 초음파 측정 주파수대역이 넓어지는 장점이 있으므로 앞으로 많은 활용이 기대된다. 그림 9는 본 연구에서 최종적으로 개발된 100 kHz와 200 kHz 초음파 변환기들을 나타낸다.
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