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문제 정의
- 본 논문에서는 초음파가 접착 계면에서 반사되는 에너지의 차이로 미접착을 검출하는 기존 시험법 대신 초음파의 공진 현상과 램파의 특성을 이용하여 검출하는 수동초음파시험법에 대하여 기술하였다.
가설 설정
- 투과 거동은 접촉 매질/스틸/내열 고무/라이너/추진제/공기의 다중 계면에서 복잡한 형식으로 발생될 것이다. 내열 고무와 추진제 계면 사이의 라이너는 초음파 특성이 고무와 같으므로 모델링에서는 내열 고무로 가정하였다. 초음파의 모델링은 라이너와 추진제의 접착 계면에서 미접착이 발생된 경우와 완전 접착된 경우로 구분하여 실시하였다.
제안 방법
- 2) 공진법으로 초음파 신호를 증폭하여 수동 초음파시험에 의한 라이너/추진제 미접착 검출 기법을 개발하였고, 램파 특성을 분석하여 초음파 신호의 불안정을 판단하는 기준으로 활용하였다.
- 3) 모의 결함 시편을 이용하여 기준 감도 및 결함 길이를 정량적으로 측정하였다.
- 91 μs이므로 송신 펄스와 반사파의 분리가 곤란하였다. 그러므로, 가동 주파수를 높여 주파수의 차이를 이용하여 공진 주파수를 획득하였다. Fig.
- 라이너/추진제 미접착 결함의 폭을 측정하기 위해 모의 결함 시편 A형의 모의 결함에 대하여 전산화 단층촬영을 실시하였다. 시험 방법은 검사 범위 지름 50 mm 이하이고 화소 크기가 50 lim인 국소영역촬영방법을 채택하였다.
- 모의 결함 시편 B형은 추진기관의 원통부를 200 mm 절단한 후 내부의 추진제를 약 10 mm 정도 남겨 놓고, Φ 17 mm, Φ 20 mm 및 25 mm의 크기로 임의의 세 곳을 지정하여 라이너면까지 추진제를 제거하였다. 이 두 시편으로 초음파의 기준 감도를 설정하였고 결함의 길이를 정량적으로 측정하였다.
- 미접착 검출을 위한 기존의 시험 기법인 반사투과법과 공진 및 램파 특성을 이용한 새로운 시험 기법의 실험결과를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 단층촬영을 실시하였다. 시험 방법은 검사 범위 지름 50 mm 이하이고 화소 크기가 50 lim인 국소영역촬영방법을 채택하였다.
- 추진제를 제거하였다. 이 두 시편으로 초음파의 기준 감도를 설정하였고 결함의 길이를 정량적으로 측정하였다. Fig.
- 모의 결함 시편 A형은 추진기관의 원통부를 150 mm로 절단한 후에 추진제를 연소관, 내열 고무 및 라이너만 남겨 놓고 제거하였다. 이 후에 이형 필름을 10×10 mm 두 개, 20x20 mm 두 개, 32x32 mm 두 개 및 50x50 mm 한 개로 잘라서 라이너 면에 접착시킨 후에 추진제를 충전하였다. 이형 필름으로 인하여 라이너와 추진제는 미접착이 발생하게 된다.
- 17 mm을 이용하여 고무 시편의 공진 신호를 분석하였다. 일반적으로 고무는 공진이 힘든 재질이므로 추진기관의 스틸 및 고무가 동시에 공진 되는 현상을 증명하기 위해 우선적으로 실험을 실시하였다.
- 초음파시험으로 검출 가능한 최소 미접착의 폭은 모의 결함 시편을 제작하여 측정하기가 곤란할 뿐만 아니라, 결함 검출 능력이 우수한 전산화 단층촬영으로도 50 iim보다 좁은 결함은 검출되지 않으므로 라이너/미접착/추진제의 삼중 매질에 대한 모델을 설정하여 이론적으로 계산하여 예측하였다.
- 내열 고무와 추진제 계면 사이의 라이너는 초음파 특성이 고무와 같으므로 모델링에서는 내열 고무로 가정하였다. 초음파의 모델링은 라이너와 추진제의 접착 계면에서 미접착이 발생된 경우와 완전 접착된 경우로 구분하여 실시하였다. 추진기관은 실린더 형상이므로 형상 인자의 영향 및 각 재질에 대한 감쇠 계수를 고려하였다 [3].
- 필수적이다. 추진기관에서 스틸 및 내열 고무는 독립적으로 분리하기가 곤란하여 스틸은 초음파의 종파 특성 및 성능 점검에 사용하는 초음파 탐상용 A1 형 표준 시험편을 이용하여 초음파 물성을 측정하였고, 내열 고무는 추진기관에서 일반적으로 사용하고 있는 EPDM 고무를 이용하여 측정하였다. 하지만 추진제는 추진기관에서 절삭하여 측정하였다.
- 45 MHz인 수직 탐촉자를 사용하였다. 탐촉자에서 수신된 신호는 A/D Board에서 초음파 전달 시간에 따른 초음파 음압을 RF 신호로 표시하여 스펙트럼 해석, 음파의 감쇠 및 속도를 측정하였다. 탐촉자와 피검체의 신호 전달을 용이하게 하기 위하여 접촉 매질은 글리세린을 사용하였다.
대상 데이터
- EPDM 고무 시편 4.17 mm을 이용하여 고무 시편의 공진 신호를 분석하였다. 일반적으로 고무는 공진이 힘든 재질이므로 추진기관의 스틸 및 고무가 동시에 공진 되는 현상을 증명하기 위해 우선적으로 실험을 실시하였다.
- 모의 결함 시편은 A, B형 2조를 제작하였다. 모의 결함 시편 A형은 추진기관의 원통부를 150 mm로 절단한 후에 추진제를 연소관, 내열 고무 및 라이너만 남겨 놓고 제거하였다.
- 본 연구에서는 초음파의 송.수신을 위한 디지털 초음파탐상기를 사용하였고, 초음파 탐촉자는 진동자의 크기가 25 mm이고 초음파의 공칭 주파수가 0.45 MHz인 수직 탐촉자를 사용하였다. 탐촉자에서 수신된 신호는 A/D Board에서 초음파 전달 시간에 따른 초음파 음압을 RF 신호로 표시하여 스펙트럼 해석, 음파의 감쇠 및 속도를 측정하였다.
- 전산화단층촬영으로 모의 결함 시편 A형의 미접착 5개소를 검출하였으며 검출한 미접착 폭은 260 pm~910 um로 측정되었다. 전산화 단층촬영의 화소 크기는 50 inn이므로 전산화 단층촬영으로 검출되지 못한 미접착은 폭이 50 um보다 좁을 것으로 판단하였다.
- 탐촉자에서 수신된 신호는 A/D Board에서 초음파 전달 시간에 따른 초음파 음압을 RF 신호로 표시하여 스펙트럼 해석, 음파의 감쇠 및 속도를 측정하였다. 탐촉자와 피검체의 신호 전달을 용이하게 하기 위하여 접촉 매질은 글리세린을 사용하였다.
이론/모형
- 미접착 결함의 길이는 초음파시험에서 일반적으로 널리 사용하는 방법인 dB 드롭법을 이용하여 정량적으로 측정하였다. 모의 결함 시편 A형은 10x10 mm 결함 두 개, 20x20 mm 결함 두 개, 32x32 min 결함 두 개 및 50x50 mm 결함한 개를 포함하고 있으며, dB 드롭법으로 결함 길이를 측정한 결과 ± 1 mm 내로 결함 길이를 측정할 수 있었다.
- 추진기관의 공진 신호를 분석하기 전에 ASTM E 1065-99 규격을 적용하여 탐촉자의 성능을 평가하였다. 수동초음파시험에 사용한 탐촉자는 분석 결과, 피크 주파수가 0.
성능/효과
- 1) 초음파 모델링으로 라이너/추진제 미접착 신호는 완전 접착 신호보다 크게 측정되었으나, 초음파 신호의 차이가 크지 않아 기존의 반사투과법으로는 결함을 효과적으로 검출하기 어려웠다.
- 4) 라이너/추진제 미접착 결함의 검출 가능한 폭은 10 pm 이상으로 판단되었다.
- 9%가 반사될 것으로 예측되었다. 그러므로 최소한 10 pm 이상의 미접착 결함은 수동 초음파시험에서 모두 검출 가능한 것으로 판단하였다.
- 정량적으로 측정하였다. 모의 결함 시편 A형은 10x10 mm 결함 두 개, 20x20 mm 결함 두 개, 32x32 min 결함 두 개 및 50x50 mm 결함한 개를 포함하고 있으며, dB 드롭법으로 결함 길이를 측정한 결과 ± 1 mm 내로 결함 길이를 측정할 수 있었다.
- 모의 결함 시편 B형은 Φ 17 mm, Φ 20 mm 및 Φ 25 mm 결함이 각각 한 개씩을 포함하고 있으며, dB 드롭법으로 결함 길이를 측정한 결과 ± 2 mm 내로 결함 길이를 측정할 수 있었다.
- 수동초음파시험에 사용한 탐촉자는 분석 결과, 피크 주파수가 0.468 MHz이고, 밴드 폭이 86%이며, 파형 지속 시간이 3.91 μs인 비교적 넓은 주파수 범위를 갖고 있는 광대역 탐촉자이므로 공진법을 적용하기 유리하였다[4].
- 5 μs의 시간 축에서 측정될 것으로 판단하였다. 실험 결과, So파는 123.5 μs에서 측정되었으며, Ao파는 201.6 μs에서 측정되어 이론과 실험이 일치함을 알 수 있었다. So파에 비해 A0파가 상대적으로 신호의 크기가 낮았으며, 이는 고무와 스틸의 접착으로 에너지 손실이 발생했기 때문이다.
- 실험 결과, 두 주파수의 차이가 0.166 MHz와 0.156 MHz로 측정되어 계산에서 얻은 공진 주파수인 0.169 MHz와 일치하고 있음을 알 수 있으며, 이를 근거로 추진기관의 라이너/추진제 미접착 계면에서 초음파의 공진 현상을 증명할 수 있었다.
- 결과이다. 연소관과 내열 고무의 초음파 평균 속도는 2,035 m/s이고, 두께는 6 mm이므로 공진 주파수는 0.169 MHz의 정수 배가 될 것으로 예측하였다.
후속연구
- 또한, 추진기관을 검사할 때 탐촉자의 접촉 상태, 접촉 매질 및 손 떨림 등의 영향으로 불안정된 초음파 신호가 수신되므로 펄스 에코 반사 투과법으로 라이너/추진제 미접착 결함을 검출하는 것은 불가능할 것으로 판단된다.
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