[논문]초음파 음장해석 및 가시화를 통한 선형 위상차배열 트랜스듀서의 결함요소 검출 가능성 연구

최광윤; 양정원; 하강렬; 김무준; 김정순; 이채봉

가설 설정

조향각 久 =0° 및 30。인 상태에서 16개의 압전요소가 모두 정상적으로 동작하고 있을 때의 초음파 음장 시뮬레이션 결과를 그림 4 및 그림 5에 그레이스케일과 등고선 도로서 각각 나타내었다. 시뮬레이션에 있어서는 방사면에 부착된 음향정합층과 전극 및 코팅막의 영향은 무시하였고, ZW 이므로 z 방향에 대해서는 무한하다는 가정 하에 归평면의 음장을 구하였다. 이 결과로부터 es =0。의 경우, 모든 압전요소가 정상적으로 동작할 때는 부엽이 규칙성 있게 대칭적으로 형성되는 것을 알 수 있으며, es = 30。일 때는 좌엽이 우엽에 비해 그 수가 많으며 형태가 복잡해짐을 알 수 있다.
조향각 久 =0° 및 30。인 상태에서 16개의 압전요소가 모두 정상적으로 동작하고 있을 때의 초음파 음장 시뮬레이션 결과를 그림 4 및 그림 5에 그레이스케일과 등고선 도로서 각각 나타내었다. 시뮬레이션에 있어서는 방사면에 부착된 음향정합층과 전극 및 코팅막의 영향은 무시하였고, ZW 이므로 z 방향에 대해서는 무한하다는 가정 하에 归평면의 음장을 구하였다. 이 결과로부터 es =0。의 경우, 모든 압전요소가 정상적으로 동작할 때는 부엽이 규칙성 있게 대칭적으로 형성되는 것을 알 수 있으며, es = 30。일 때는 좌엽이 우엽에 비해 그 수가 많으며 형태가 복잡해짐을 알 수 있다.

제안 방법

Comparison of simulation and measurement results of the acoustic field for the transducer with a defective piezoelectric element (θδ =30° , n= number of the defective element).
본 연구에서는 비파괴평가용 또는 의료용으로 실제 사 용가능한 16개 압전요소로 구성된 3 M田의 선형 위상차 배열 초음파 트랜스듀서를 대상으로, 조향각 0°와 30°에 대해 모든 요소가 정상적으로 동작할 때와 일부 요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때에 대한 근거리 및 원거 리의 전체음장을 이론적으로 시뮬레이션하고, 슈리 렌법에 따라 자체 구축한 가시화장치를 이용하여 실험적으로 측정 하였다. 그리고 실험적으로 얻어진 결과를 시뮬레이션 결 과와 직접 비교함으로써 일반적인 선형배열 초음파 트랜스 듀서의 이차원 음장에서의 부엽패턴 (side-lobe pattern) 변화 관찰에 의해 그 내부 결함 존재 여부의 평가 및 결함요소의 위치 추정이 가능함을 보인다.
본 연구에서는 비파괴평가용 또는 의료용으로 실제 사용가능한 16개 압전요소로 구성된 3 M田의 선형 위상차 배열 초음파 트랜스듀서를 대상으로, 모든 압전요소가 정상일 때와 임의의 요소 하나가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장을 조향각 0°와 30。에 대해 이론적으로 시뮬레이션하고, 슈리렌법에 따라 구축한 음장가시화장치를 이용하여 실험적으로 측정하였다. 그 결과, 임의의 압전요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장은 모든 요소가 정상적으로 동작할 때의 음장에 비해 부엽 패턴이 크게 다르게 나타나며, 그 형태는 가시화에 의한 측정결과와 잘 일치하였다.
본 연구에서는 비파괴평가용 또는 의료용으로 실제 사 용가능한 16개 압전요소로 구성된 3 M田의 선형 위상차 배열 초음파 트랜스듀서를 대상으로, 조향각 0°와 30°에 대해 모든 요소가 정상적으로 동작할 때와 일부 요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때에 대한 근거리 및 원거 리의 전체음장을 이론적으로 시뮬레이션하고, 슈리 렌법에 따라 자체 구축한 가시화장치를 이용하여 실험적으로 측정 하였다. 그리고 실험적으로 얻어진 결과를 시뮬레이션 결 과와 직접 비교함으로써 일반적인 선형배열 초음파 트랜스 듀서의 이차원 음장에서의 부엽패턴 (side-lobe pattern) 변화 관찰에 의해 그 내부 결함 존재 여부의 평가 및 결함요소의 위치 추정이 가능함을 보인다.
본 연구에서는 비파괴평가용 또는 의료용으로 실제 사용가능한 16개 압전요소로 구성된 3 M田의 선형 위상차 배열 초음파 트랜스듀서를 대상으로, 모든 압전요소가 정상일 때와 임의의 요소 하나가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장을 조향각 0°와 30。에 대해 이론적으로 시뮬레이션하고, 슈리렌법에 따라 구축한 음장가시화장치를 이용하여 실험적으로 측정하였다. 그 결과, 임의의 압전요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장은 모든 요소가 정상적으로 동작할 때의 음장에 비해 부엽 패턴이 크게 다르게 나타나며, 그 형태는 가시화에 의한 측정결과와 잘 일치하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 스토퍼로서 나이프 에지 (knife-edge)를 사용하였다. 그리고, 수조는 가로 260 mmX세로 145 mmX높이 300 mm의 직육면체 형상으로서 파이렉스유리로 제작하였으며, 물에서의 초음파 및 광 빔의 산란을 줄이기 위해 증류수 사용하였고, 저면에는 흡음을 위하여 두께 약 2 cm의 표면이 거친 실리콘 고무판을 설치하였다.
본 연구에서 사용한 초음파 트랜스듀서는 그림 2(a) 에 나타낸 바와 같이 폭 W= 0.25 mm, 높이 £ = 14 mm인 16개의 PZT 압전요소가 d = 0-3 mm 간격으로 선형배열된 것이다. 이 트랜스듀서의 방사면에는 두께를 무시할 수 있는 음향정합층과 전극, 그리고 절연 및 방수를 위한 고분자막이 코팅되어 있으며, 배면에는 A12以 분말을 혼합하여 만든 음향임피던스 4 = 3.
본 연구에서 사용한 초음파 트랜스듀서는 그림 2(a) 에 나타낸 바와 같이 폭 W= 0.25 mm, 높이 £ = 14 mm인 16개의 PZT 압전요소가 d = 0-3 mm 간격으로 선형배열된 것이다. 이 트랜스듀서의 방사면에는 두께를 무시할 수 있는 음향정합층과 전극, 그리고 절연 및 방수를 위한 고분자막이 코팅되어 있으며, 배면에는 A12以 분말을 혼합하여 만든 음향임피던스 4 = 3.
이 때 그 초점 위치에 스토퍼를 설치하면 0차파 성분에 해당하는 평행광은 모두 차단되며, 초음파가 있을 경우에 회절 때문에 생기는 1차파 이상의 고차 성분이 초점을 지나 CCD 카메라에 도달하게 된다. 본 연구에서는 스토퍼로서 나이프 에지 (knife-edge)를 사용하였다. 그리고, 수조는 가로 260 mmX세로 145 mmX높이 300 mm의 직육면체 형상으로서 파이렉스유리로 제작하였으며, 물에서의 초음파 및 광 빔의 산란을 줄이기 위해 증류수 사용하였고, 저면에는 흡음을 위하여 두께 약 2 cm의 표면이 거친 실리콘 고무판을 설치하였다.
이 때 그 초점 위치에 스토퍼를 설치하면 0차파 성분에 해당하는 평행광은 모두 차단되며, 초음파가 있을 경우에 회절 때문에 생기는 1차파 이상의 고차 성분이 초점을 지나 CCD 카메라에 도달하게 된다. 본 연구에서는 스토퍼로서 나이프 에지 (knife-edge)를 사용하였다. 그리고, 수조는 가로 260 mmX세로 145 mmX높이 300 mm의 직육면체 형상으로서 파이렉스유리로 제작하였으며, 물에서의 초음파 및 광 빔의 산란을 줄이기 위해 증류수 사용하였고, 저면에는 흡음을 위하여 두께 약 2 cm의 표면이 거친 실리콘 고무판을 설치하였다.
그림 3에서 알 수 있는 바와 같이 함수발생기 (Agilent 33250A)에서 나온 펄스는 자체 제작한 16채널의 시간지연 및 미분기능이 부가된 전력증폭회로를 거쳐 트랜스듀서에 입력된다. 조향각 久 = 30°를 위한 지연시간 & = 100 nS를 얻기 위한 시간지연회로 소자로서는 10-Tap Si delay line (DS1010)을 사용하였으며, 전력증폭을 위해서는 FET (IRF 830)을 사용하였는데, 그 FET의 구동을 위해 최대 60V가 출력되는 직류전원 (Agilent E3649A)을 이용하였다.
그림 3에서 알 수 있는 바와 같이 함수발생기 (Agilent 33250A)에서 나온 펄스는 자체 제작한 16채널의 시간지연 및 미분기능이 부가된 전력증폭회로를 거쳐 트랜스듀서에 입력된다. 조향각 久 = 30°를 위한 지연시간 & = 100 nS를 얻기 위한 시간지연회로 소자로서는 10-Tap Si delay line (DS1010)을 사용하였으며, 전력증폭을 위해서는 FET (IRF 830)을 사용하였는데, 그 FET의 구동을 위해 최대 60V가 출력되는 직류전원 (Agilent E3649A)을 이용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 비파괴평가용 또는 의료용으로 실제 사용가능한 16개 압전요소로 구성된 3 M田의 선형 위상차 배열 초음파 트랜스듀서를 대상으로, 모든 압전요소가 정상일 때와 임의의 요소 하나가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장을 조향각 0°와 30。에 대해 이론적으로 시뮬레이션하고, 슈리렌법에 따라 구축한 음장가시화장치를 이용하여 실험적으로 측정하였다. 그 결과, 임의의 압전요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장은 모든 요소가 정상적으로 동작할 때의 음장에 비해 부엽 패턴이 크게 다르게 나타나며, 그 형태는 가시화에 의한 측정결과와 잘 일치하였다. 따라서, 가시화 장치에 의해 측정된 음장에서의 부엽패턴의 특징을 시뮬레이션 결과와 비교 분석함으로써 선형 위상차배 열 초음파 트랜스듀서에서의 결함요소 존재여부는 물론, 그 결함요소의 위치 추정이 가능함을 알았다.
본 연구에서는 비파괴평가용 또는 의료용으로 실제 사용가능한 16개 압전요소로 구성된 3 M田의 선형 위상차 배열 초음파 트랜스듀서를 대상으로, 모든 압전요소가 정상일 때와 임의의 요소 하나가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장을 조향각 0°와 30。에 대해 이론적으로 시뮬레이션하고, 슈리렌법에 따라 구축한 음장가시화장치를 이용하여 실험적으로 측정하였다. 그 결과, 임의의 압전요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장은 모든 요소가 정상적으로 동작할 때의 음장에 비해 부엽 패턴이 크게 다르게 나타나며, 그 형태는 가시화에 의한 측정결과와 잘 일치하였다. 따라서, 가시화 장치에 의해 측정된 음장에서의 부엽패턴의 특징을 시뮬레이션 결과와 비교 분석함으로써 선형 위상차배 열 초음파 트랜스듀서에서의 결함요소 존재여부는 물론, 그 결함요소의 위치 추정이 가능함을 알았다.
75 Mrayls 인 흡음층이 형성되어 있다. 그리고 16개의 모든 압전요소에 대한 개별적 임피던스분석에 의해 얻어진 一 3 dB 기준 공진주파수는 3.0 0/丑z를 중심으로 土 15 kHz 범위 내에서 일정하였으며, 전기기계결합계수는 54.8 ±0.4% 이었다.
75 Mrayls 인 흡음층이 형성되어 있다. 그리고 16개의 모든 압전요소에 대한 개별적 임피던스분석에 의해 얻어진 一 3 dB 기준 공진주파수는 3.0 0/丑z를 중심으로 土 15 kHz 범위 내에서 일정하였으며, 전기기계결합계수는 54.8 ±0.4% 이었다.
본 연구에서는 비파괴평가용 또는 의료용으로 실제 사 용가능한 16개 압전요소로 구성된 3 M田의 선형 위상차 배열 초음파 트랜스듀서를 대상으로, 조향각 0°와 30°에 대해 모든 요소가 정상적으로 동작할 때와 일부 요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때에 대한 근거리 및 원거 리의 전체음장을 이론적으로 시뮬레이션하고, 슈리 렌법에 따라 자체 구축한 가시화장치를 이용하여 실험적으로 측정 하였다. 그리고 실험적으로 얻어진 결과를 시뮬레이션 결 과와 직접 비교함으로써 일반적인 선형배열 초음파 트랜스 듀서의 이차원 음장에서의 부엽패턴 (side-lobe pattern) 변화 관찰에 의해 그 내부 결함 존재 여부의 평가 및 결함요소의 위치 추정이 가능함을 보인다.
본 연구에서는 비파괴평가용 또는 의료용으로 실제 사 용가능한 16개 압전요소로 구성된 3 M田의 선형 위상차 배열 초음파 트랜스듀서를 대상으로, 조향각 0°와 30°에 대해 모든 요소가 정상적으로 동작할 때와 일부 요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때에 대한 근거리 및 원거 리의 전체음장을 이론적으로 시뮬레이션하고, 슈리 렌법에 따라 자체 구축한 가시화장치를 이용하여 실험적으로 측정 하였다. 그리고 실험적으로 얻어진 결과를 시뮬레이션 결 과와 직접 비교함으로써 일반적인 선형배열 초음파 트랜스 듀서의 이차원 음장에서의 부엽패턴 (side-lobe pattern) 변화 관찰에 의해 그 내부 결함 존재 여부의 평가 및 결함요소의 위치 추정이 가능함을 보인다.
그 결과, 임의의 압전요소가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 음장은 모든 요소가 정상적으로 동작할 때의 음장에 비해 부엽 패턴이 크게 다르게 나타나며, 그 형태는 가시화에 의한 측정결과와 잘 일치하였다. 따라서, 가시화 장치에 의해 측정된 음장에서의 부엽패턴의 특징을 시뮬레이션 결과와 비교 분석함으로써 선형 위상차배 열 초음파 트랜스듀서에서의 결함요소 존재여부는 물론, 그 결함요소의 위치 추정이 가능함을 알았다.

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