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문제 정의
- 본 논문에서는 초음파 진단장치에 사용되는 배열 탐침 자를 대상으로 각 소자에서 방사되는 음향파워를 정밀하게 측정할 수 있는 음향파워 측정 시스템을 구성하였다. 이를 위해 수조와 표적, 배열 탐침자 소자 구동개폐장치, 측정제어 프로그램을 목적에 부합하도록 설계 제작하고, 곡선형 배열 탐침자의 음향파워 측정결과 보정기법을 개 嵌였다.
제안 방법
- IEC 61161에서는 음향파워의 정밀 측정을 위해 진폭 반사계수가 5 % 미만이며, 표적으로 침투한 음파의 최소 99 % 이상의 음향 에너지를 표적 내부에서 흡수할 수 있는 재료를 사용하도록 권장하고 있다. [3], 본 논문에서는 영국 물리표준국 (National Physical Laboratory)에서 개발한 흡음 형 고무 재료 (HAM-A, precision acoustics, co.)를 사용하여 흡음 형 표적을 설계 및 제작하였다. 표적용 고무 재료는 폴리우레탄 고무로 되어있으며, 물과의 음향임피던스를 정합하기 위한 정합층과 음향에너지를 흡수하기 위한 흡음 층으로 구성되어 있다.
- 이를 위해 측정 시스템 제어 프로그램의 통신 지령에 따라 해당 소자를 구동해 주는 구동개폐장치를 설계 및 제작하였다. 구동 개폐 장치와 진단용 초음파 탐침자간의 연결부는 3 M 사의 156 pin ZIF connector를 사용하였으며, 선택되지 않은 소자와 연결된 각 pin을 접지시켜 상호유도 성분을 최소화하였다. 아울러 마이 크로컨트롤러 (80C196, Intel co.
- 구축된 시스템의 선형성은 공진주파수가 다른 3개의 교정된 초음파 변환기를 사용하여 주파수 대역별로 평가되었다. 이를 위해 사용한 초음파 변환기는 PZT 소자로 제작된 것이며, 공진주파수는 각각 2.
- 반사형 표적은일반적으로 원뿔형의 구조를 가지고 있으며, 진행하는 초음파 빔의 중심에 원뿔을 위치시켜야 정확한 반사를 통한 측정이 가능하다. 그러나 배열 탐침자로부터 방사되는 초음파 빔의 중심축은 소자의 위치에 따라 바뀌기 때문에 본 논문에서는 흡음형 표적을 채택하였다. IEC 61161에서는 음향파워의 정밀 측정을 위해 진폭 반사계수가 5 % 미만이며, 표적으로 침투한 음파의 최소 99 % 이상의 음향 에너지를 표적 내부에서 흡수할 수 있는 재료를 사용하도록 권장하고 있다.
- 이 문제는 표적만 따로 수조와 분리시키는 장치를 설계하여 개선할 수 있지만 표적과 중력 축의 정렬이 쉽지 않고 표적을 매달기 위해 3점 지지가 필요하여 지지선과 수조사이에서 물의 표면장력이 증가하여 정밀측정에 불리하다. 따라서 본 논문에서는 그림 1과 같이 수조의 하단부에 배열 탐침자를 장착하도록 설계하였다. .
- 수조는 측정대상 배열 탐침자의 다양한 형상을 고려하여 장착과 정 렬이 용이하도록 설계하였으며, 표적은 소자의 배열 형태에 따라 입사각이 다른 초음파 빔을 완전 흡수할 수 있도록 제작하였다. 또한 각 소자별로 구동하기 위한 구동개폐장치를 개발하여 전력증폭기 (3100IA, ENI co.)와 배열 탐침자 사이에 장착하였으며, 측정 제어를 위한 프로그램을 새로이 개발하였다. 본 논문에서 구축한 음향파워 측정시스템의 구성도는 그림 1 과 같다.
- 수조에 물이 담겨있을 경우 수면으로부터 증발되는물의 양을 최소화하고, 음향파워 측정시 외부 공기의 대류로 인한 미세 수면 진동의 발생을 차단하기 위해 수조 덮개를 제작하였다. 또한 수조에 장착된 배열 탐침 자의 초음파 빔축과 중력 축을 정렬을 용이하게 할 수 있도록, 수조를 3점 지지하고 있는 다리의 밑 부분에 수평조절용 나사를 부착하였다. 아울러 탐침자의 길이에 따른 수조의 다리를 교체 장착이 가능하도록 설계하였다.
- 방지하였다. 또한 탐침자와 장착기구 접촉면의 방수를 위해 실리콘 고무를 탐침자 형상에 맞추어 성형한 후 장착기구의 중간 부위에 삽입하였다.
- 본 논문에서는 초음파 진단장치용 배열 탐침 자로부터 방사되는 음향파워를 소자별로, 측정할 수 있는 자동화 시스템을 구성하였으며' 배열 탐침자의 다양한 형상에 적합한 수조, 표적, 결합기구 등을 제작하였다. 아울러 배열 탐침자를 구성하는 소자에 순차적으로 전기신호를 인가하기 위한 장비를 설계 제작하였으며, 측정 시스템제어 프로그램을 개발하였다.
- 본 음향파워 측정에는 이온 등이 포함된 불순물과 가스로 인해 초음파가 진행하는 경로 상에서 음의 감쇄 및 산란을 최소화하기 위해 공기가 제거된 증류수를 제조하여 사용하였다. 이를 위해 초순수 물 제조장치 (RiosT6, Millipore co.
- 선형과 위상형 배열 탐침자용 장착기구는 수조 결합 후 배열 탐침자의 각 소자로부터 방사되는 초음파가 수조의 수평면에 수직으로 방사될 수 있도록 제작하였으며, 곡선형 배열 탐침자용 장착기구는 중앙의 소자로부터 방사되는 음파가 수조의 수평 면과 수직 이 되도록 설계하였다. 수조에 물이 담겨있을 경우 수면으로부터 증발되는물의 양을 최소화하고, 음향파워 측정시 외부 공기의 대류로 인한 미세 수면 진동의 발생을 차단하기 위해 수조 덮개를 제작하였다.
- 이를 위해 본 논문에서 제안하는 기존 시스템의 주요 개선사항은 수조와 표적, 배열 탐침 자의 소자 구동개폐장치 및 측정시스템 제어 프로그램 등이다. 수조는 측정대상 배열 탐침자의 다양한 형상을 고려하여 장착과 정 렬이 용이하도록 설계하였으며, 표적은 소자의 배열 형태에 따라 입사각이 다른 초음파 빔을 완전 흡수할 수 있도록 제작하였다. 또한 각 소자별로 구동하기 위한 구동개폐장치를 개발하여 전력증폭기 (3100IA, ENI co.
- 선형과 위상형 배열 탐침자용 장착기구는 수조 결합 후 배열 탐침자의 각 소자로부터 방사되는 초음파가 수조의 수평면에 수직으로 방사될 수 있도록 제작하였으며, 곡선형 배열 탐침자용 장착기구는 중앙의 소자로부터 방사되는 음파가 수조의 수평 면과 수직 이 되도록 설계하였다. 수조에 물이 담겨있을 경우 수면으로부터 증발되는물의 양을 최소화하고, 음향파워 측정시 외부 공기의 대류로 인한 미세 수면 진동의 발생을 차단하기 위해 수조 덮개를 제작하였다. 또한 수조에 장착된 배열 탐침 자의 초음파 빔축과 중력 축을 정렬을 용이하게 할 수 있도록, 수조를 3점 지지하고 있는 다리의 밑 부분에 수평조절용 나사를 부착하였다.
- 이때 표적걸이는 물의 표면장력을 최소화하기 위해 직경 50 皿의 백금선을 사용하였다. 수조의 수평은 수조 덮개 위에 수준계 (150, Obishi-Keiki co.)를 올려놓고 수조 다리의 수평조절 나사를 조정하여 맞추었다. 이와 동시에 각각의 측정 징-치들은 30분 이상 예열하였다.
- 구동 개폐 장치와 진단용 초음파 탐침자간의 연결부는 3 M 사의 156 pin ZIF connector를 사용하였으며, 선택되지 않은 소자와 연결된 각 pin을 접지시켜 상호유도 성분을 최소화하였다. 아울러 마이 크로컨트롤러 (80C196, Intel co.)를 내장하여 제어용 컴퓨터와 직렬통신을 수행함으로써, 자동화 프로그램으로부터 내려지는 명령을 수행하여 각 계전기 (G6Y-L, Omron co.)를 제어함과 동시에 현재 계전기의 연결 상태를 감시할 수 있도록 하였다.
- 아울러 배열 탐침자를 구성하는 소자에 순차적으로 전기신호를 인가하기 위한 장비를 설계 제작하였으며, 측정 시스템제어 프로그램을 개발하였다. 또한 곡선형 배열 탐침 자의 소자 배열 형태에 따른 음향파워 보정기법을 개발하고 최종적으로 선형, 위상형, 곡선형 배열 탐침자를 대상으로 본 논문에서 개발된 음항파워 측정 시스템의 적용 가능함을 확인하였다.
- 또한 수조에 장착된 배열 탐침 자의 초음파 빔축과 중력 축을 정렬을 용이하게 할 수 있도록, 수조를 3점 지지하고 있는 다리의 밑 부분에 수평조절용 나사를 부착하였다. 아울러 탐침자의 길이에 따른 수조의 다리를 교체 장착이 가능하도록 설계하였다.
- 이와 동시에 각각의 측정 징-치들은 30분 이상 예열하였다. 예열이 끝난 후 흡음형 표적과 배열 탐침자 사이의 거리를 1 mm 로 조정하고, 측정 시스템 제어 프로그램을 구동하여 각각의 배열 탐침자의 음향파워 측정을 수행하였다.
- 재구성이 필요하다. 이를 위해 본 논문에서 제안하는 기존 시스템의 주요 개선사항은 수조와 표적, 배열 탐침 자의 소자 구동개폐장치 및 측정시스템 제어 프로그램 등이다. 수조는 측정대상 배열 탐침자의 다양한 형상을 고려하여 장착과 정 렬이 용이하도록 설계하였으며, 표적은 소자의 배열 형태에 따라 입사각이 다른 초음파 빔을 완전 흡수할 수 있도록 제작하였다.
- 구성하였다. 이를 위해 수조와 표적, 배열 탐침자 소자 구동개폐장치, 측정제어 프로그램을 목적에 부합하도록 설계 제작하고, 곡선형 배열 탐침자의 음향파워 측정결과 보정기법을 개 嵌였다.
- 최소화하기 위해 공기가 제거된 증류수를 제조하여 사용하였다. 이를 위해 초순수 물 제조장치 (RiosT6, Millipore co.)를 사용하여 물속에 함유되어 있는 이온을 제거하였으며, 진공펌프 (W2V20, Vfoosung Co.)를 사용하여 약 2 kPa의 진공상태를 12시간 이상 유지시켜 물속에 녹아있는 공기를 제거하였다 [3], 흡음형 표적은 표적 걸이에 걸어 전자저울에 연결한 후 초음파를 흡수하는 표적의 표면이 중력축과 수직이 되도록 조정하였다. 이때 표적걸이는 물의 표면장력을 최소화하기 위해 직경 50 皿의 백금선을 사용하였다.
- 하기 때문에 자동화할 필요가 있다. 이를 위해 측정 시스템 제어 프로그램의 통신 지령에 따라 해당 소자를 구동해 주는 구동개폐장치를 설계 및 제작하였다. 구동 개폐 장치와 진단용 초음파 탐침자간의 연결부는 3 M 사의 156 pin ZIF connector를 사용하였으며, 선택되지 않은 소자와 연결된 각 pin을 접지시켜 상호유도 성분을 최소화하였다.
- 장착기구는 수조의 하단부에서 6개의 나사를 사용하여 고정하였으며, 이때 수조와 장착기구의 중간에 고무 재질의 o-ring을 삽입하여 수조에 담겨진 증류수가 새는 것을 방지하였다. 또한 탐침자와 장착기구 접촉면의 방수를 위해 실리콘 고무를 탐침자 형상에 맞추어 성형한 후 장착기구의 중간 부위에 삽입하였다.
대상 데이터
- 수조는 흡음형 표적의 크기와 배열 탐침자의 모양을 함께 고려하여 200 X 200 X 180 mm의 크기로 제작하였다. 선형과 위상형 배열 탐침자용 장착기구는 수조 결합 후 배열 탐침자의 각 소자로부터 방사되는 초음파가 수조의 수평면에 수직으로 방사될 수 있도록 제작하였으며, 곡선형 배열 탐침자용 장착기구는 중앙의 소자로부터 방사되는 음파가 수조의 수평 면과 수직 이 되도록 설계하였다.
- 이를 위해 사용한 초음파 변환기는 PZT 소자로 제작된 것이며, 공진주파수는 각각 2.15 MHz, 4 51 MHz, 8.38 MHz이다. 측정 시스템에 각각의 초음파 변환기를 장착하고 인가전압을 증가시키 면서 측정된 음향파워는 그림 4와 같다.
데이터처리
- 구축된 시스템을 이용한 음향파워 측정결과에 대한 신뢰성은 영국물리표준국 (National Physics Laboratory) 에서 교정된 3.5 MHz NPL check source (Precision Acoustics Ltd)에서 방사되는 음향파워를 측정한 후 측정 결과에 대한 상호 비교를 수행하여 평가 하였다. 음향파워 측정결과에 대한 상호 비교 평가결과는 표 2와 같으며, 제안된 측정시스템의 측정결과와 영국물리표준국의 측정 결과가 1.
이론/모형
- 측정불확도는 국제표준화기구 (ISO)에서 발간한 "측정불확도 표현 지침 (Guide to the expression of uncertainty in measurement, GUM)”을 참고 하였다 [18], 초음파 영상 진단기용 배열 탐침자의 음향파워 Po 측정의 수학적 모델은 식 (1)과 같다. 이로부터 상대 합성표준불확도를구하면 식 (1))과 같다.
- 7을 사용하여 개발되었다. 각종 측정장비의 정확한 순차 제어를 위해 객체지향 프로그래밍 기법을 배제하고, 순차 프로그래밍 기법을 사용하였다.
- 2의 병렬통신 방법과 RS-232의 직렬통신방법이 사용되었다. 음향파워 측정시스템을 제어하기 위한 프로그램은 사용편의성과 개발속도를 고려하여 National Instrument사의 LabVIEW ver.7을 사용하여 개발되었다. 각종 측정장비의 정확한 순차 제어를 위해 객체지향 프로그래밍 기법을 배제하고, 순차 프로그래밍 기법을 사용하였다.
- 제어를 필요로 한다. 측정기기와 제어용 컴퓨터 간의 데이터 통신에는 IEEE 488.2의 병렬통신 방법과 RS-232의 직렬통신방법이 사용되었다. 음향파워 측정시스템을 제어하기 위한 프로그램은 사용편의성과 개발속도를 고려하여 National Instrument사의 LabVIEW ver.
성능/효과
- 12 Vrms이다. 64개 소자들의 음향파워 전체 평균은 12.97 mW로 나타났으며, 측정된 음향파워는 3번 소자에서 14.16 mW로 최대였고, 5번 소자에서의 출력 이 9.97 mW로 최소였다. 그림 6의 1번 소자부터 16번 소자까지의 음향파워 평균은 3번 6번, 7번, 15번 소자를 제외하면 10.
- 흡음재의 음향학적인 특성은 투과손실이 30 dB . cm4 MHz-'보다 크고, 반향신호의 크기 감쇄가 30 dB 이상 되므로 상기의 IEC 61161에서 제안한 규격을 잘 만족하는 것을 알 수 있다. H7].
- 측정 시스템에 각각의 초음파 변환기를 장착하고 인가전압을 증가시키 면서 측정된 음향파워는 그림 4와 같다. 그림 4에 나타난 바와 같이 각 초음파 변환기의 인가전압의 제곱에 비례하여 측정된 음향파워는 선형적으로 증가하는 것을 감안할 때, 제안된 측정 시스템의 음향파워 측정결과는 2~8 MHz 대역, 10 mW부터 100 mW까지의 범위의 측정결과에 대한 선형성이 확인되었다 (磴0.9995).
- 아울러 배열 탐침자를 구성하는 소자에 순차적으로 전기신호를 인가하기 위한 장비를 설계 제작하였으며, 측정 시스템제어 프로그램을 개발하였다. 또한 곡선형 배열 탐침 자의 소자 배열 형태에 따른 음향파워 보정기법을 개발하고 최종적으로 선형, 위상형, 곡선형 배열 탐침자를 대상으로 본 논문에서 개발된 음항파워 측정 시스템의 적용 가능함을 확인하였다.
- 방사힘 등가질량에 대한 상대 표준불확도 성분은 전자저울의 교정 및 선형성에 관련된 불확도 0.14 %, 외삽법에 사용되는 일차 회귀식의 불확도 0.96 %, 반복 측정에 의한 불확도 1.50 %, 표적의 결함에 의한 불확도 1.68 %, 표적과 배열 탐침자 정렬에 대한 불확도 0.14 %로 평가되었다. 따라서 방사힘 등가질량에 대한 상대 표준불확도는 2.
- 본 논문에서 제안된 측정 시스템을 사용하여 선형, 위상형, 곡선형 배열 탐침자를 대상으로 mW 범위의 음항파워를 측정한 결과, 5 % 정도의 상대 확장불확도 수준으로 정밀 측정이 가능함을 확인하였다. 따라서 본 측정 시스템은 현재 상용화되어 사용되고 있는 초음파 진단장치용 배열 탐침 자의 소자별 음향파워 측정에 유용하게 활용될 수 있다.
- 상기 요소별 상대 표준불확도를 감안해 볼 때, 측정된 음향파워 4에 대한 싱대 표준불확도는 2.47 % 이며, 상대 확장불확도는 약 4.94 % (신뢰수준 약 95 %, k=2) 로최종 평가된다. 이들을 정리한 불확도 총괄표는 표 3와같다.
- 06 橢였으며 3회 반복측정하였다. 소자로부터 방사되는 음향파워가 매우 작은 119번 소자를 제외한 나머지 127개 소자들의 음향파워 평균은 12.02 mW로 나타났다, 3번 소자에서 방사된 음향파워가 13.86 mW로 최대였고, 106번 소자에서 방사되는 음향파워는 10.05 mW로 최소였다.
- 5 MHz NPL check source (Precision Acoustics Ltd)에서 방사되는 음향파워를 측정한 후 측정 결과에 대한 상호 비교를 수행하여 평가 하였다. 음향파워 측정결과에 대한 상호 비교 평가결과는 표 2와 같으며, 제안된 측정시스템의 측정결과와 영국물리표준국의 측정 결과가 1.5 %이내에서 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
- 02 腿이다. 측정된 음향파워는 중심에 위치한 소자들이 외곽에 위치한 소자들보다 크게 나타나는 경향을 볼 수 있으며, 70번 소자에서 21.96 mW로 가장 크고 5번 소자에서 15.23 mW로 가장 작은 값이 측정되었다. 이는 소자들이 곡면으로 배 열되어 있기 때문에 표적으로 입사하는 초음파 빔 축이 다르기 때문이며, 그림 7과 같이 중앙에 위치한 소자를 중심으로 위로 볼록한 형태의 측정결과를 나타내게 된다.
후속연구
- 측정이 가능함을 확인하였다. 따라서 본 측정 시스템은 현재 상용화되어 사용되고 있는 초음파 진단장치용 배열 탐침 자의 소자별 음향파워 측정에 유용하게 활용될 수 있다.
- 향후 배 열 탐침자의 여러 소자를 동시에 구동할 때와 각 소자의 인가되는 신호의 시간 차이가 있는 경우에 대해서도 음향파워를 정밀하게 측정할 수 있는 시스템 개발이 필요할 것으로 예상된다.
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