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문제 정의
- 본 논문은 탐촉자를 고무면에 접촉하였을 때 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위해 스틸면에서 초음파를 입사시켜 내열 고무 두께를 측정하는 기법에 대해 기술하였다. 초음파 공진법을 이용하여 매질의 두께를 측정하기 위해서 Allin et al.
가설 설정
- 97 kHz 범위 내에서 측정될 것으로 예측하였다. 라이너는 내열 고무와 추진제의 접착력을 증진시키기 위해 설치되는 고무상의 얇은 층이므로, 고무와 라이너는 음향 임피던스가 유사하여 동일한 재질로 가정하였고, 본 실험에서는 라이너 두께를 고무 두께에 산술적으로 합산하였다.
제안 방법
- 100 kHz 탐촉자는 펄스 반복 주파수를 50 Hz로 설정하였고, 톤버스트의 펄스 폭을 30 μs로 가진하여 제 1 공진 주파수를 분석하였다.
- 모든 스틸 평판은 고무를 잘 접착시키기 위해 샌딩 작업을 한 후에 켐록을 도포하였다. 고체 상태의 EPDM 고무판을 켐록이 도포된 스틸 면에 적층한 후 오토클래이브에서 가압 성형하여 스틸과 고무를 접착시켰다.
- 고출력 비선형 초음파 분석 장비에서 입사파의 가진 주파수는 탐촉자의 공칭 주파수와 일치시켰고, 온도에 따른 음속의 변화를 고려하여 실험은 20℃ 환경에서 동일한 일자에 수행하였다. 100 kHz 탐촉자는 펄스 반복 주파수를 50 Hz로 설정하였고, 톤버스트의 펄스 폭을 30 μs로 가진하여 제 1 공진 주파수를 분석하였다.
- 기존의 펄스에코법을 개선하기 위해 고무 공진 주파수를 이용하여 고무 두께를 측정하는 초음파 공진법을 개발하였다. 초음파 공진법은 펄스 지속 시간이 매질의 음향 두께보다 길어서 송신 펄스와 반사파를 분리하기 곤란한 경우에 사용할 수 있다.
- 은 Hook's 법칙을 이용하여 제 1 공진 주파수를 예측하였고, 금속 접착 구조물의 접착제로 사용한 에폭시 두께를 제 1 공진 주파수를 이용하여 측정하였다[3]. 본 논문에서는 삼중 매질의 음압반사계수를 이용하여 고무 공진 주파수를 예측하였고, 고무 공진 주파수를 고무 두께로 환산하였다. 초음파가 스틸면으로 입사하였을 때 펄스에코법의 적용 한계를 초음파 모델링으로 분석하였고, 실험으로 고무 공진 주파수를 이용하여 고무 두께를 측정할 수 있음을 입증하였다.
- 스틸 연소관은 스틸에 내열 고무가 접착된 구조물이며, 초음파 전달 현상을 모델링하기 위해 스틸의 두께는 1.86 mm, 내열 고무의 두께는 3.97 mm로 설정하였고, 펄스에코법에서의 반사 신호에 대한 시간 지연과 초음파 진폭에 대한 시스템 응답 함수를 구하였다. 초음파 출력 신호를 모사하기 위하여 초기입력함수는 100 kHz 탐촉자에서 발생되는 실제 파형을 측정하여 사용하였다.
- 스틸 연소관의 내열 고무 두께를 측정하기 위해 스틸에서 고무로 초음파를 입사시켜 고무 공진 주파수를 측정하였고, 측정된 고무 공진 주파수를 고무 두께로 환산하는 기법을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 스틸/고무 접착 시험편 12개에 대해 고무 두께 변화에 따른 고무 제 1 공진 주파수를 측정하였다. 스틸/고무 접착 시험편 절반은 고무면에 라이너가 1.
- 초음파 출력 신호를 모사하기 위하여 초기입력함수는 100 kHz 탐촉자에서 발생되는 실제 파형을 측정하여 사용하였다. 시스템 응답 함수와 초기 입력 함수에 대하여 콘볼류션 적분을 수행하였으며 Fig. 2와 같은 펄스에코법의 초음파 신호를 예측하였다[6, 7].
- 01 mm 도포되었으며, 라이너 두께는 고무 두께와 합산하였다. 초음파 시험은 스틸/고무 접착 시험편에 대해 라이너가 도포되지 않은 경우와 라이너가 도포된 경우를 분류하여 초음파 신호를 측정하였다. Fig.
- 97 mm로 설정하였고, 펄스에코법에서의 반사 신호에 대한 시간 지연과 초음파 진폭에 대한 시스템 응답 함수를 구하였다. 초음파 출력 신호를 모사하기 위하여 초기입력함수는 100 kHz 탐촉자에서 발생되는 실제 파형을 측정하여 사용하였다. 시스템 응답 함수와 초기 입력 함수에 대하여 콘볼류션 적분을 수행하였으며 Fig.
- 본 논문에서는 삼중 매질의 음압반사계수를 이용하여 고무 공진 주파수를 예측하였고, 고무 공진 주파수를 고무 두께로 환산하였다. 초음파가 스틸면으로 입사하였을 때 펄스에코법의 적용 한계를 초음파 모델링으로 분석하였고, 실험으로 고무 공진 주파수를 이용하여 고무 두께를 측정할 수 있음을 입증하였다.
- 초음파 공진법은 펄스 지속 시간이 매질의 음향 두께보다 길어서 송신 펄스와 반사파를 분리하기 곤란한 경우에 사용할 수 있다. 초음파의 대역폭(bandwidth)은 고무 공진 주파수 범위로 제한하여 스틸 공진 주파수가 측정되지 않도록 하였으며 초음파를 스틸면에서 고무로 입사시켜 고무 공진 주파수를 측정하였다.
대상 데이터
- 고무는 스틸에 2.86 mm, 4.03 mm, 5.05 mm의 두께로 접착되었으며, 고무 절반 면적에 라이너를 1.01 mm 두께로 도포하였다. 고무 음속은 1,532 m/s이므로 고무 두께에 따라 고무 제 1 공진 주파수는 75.
- 본 연구에서는 초음파의 송·수신을 위하여 Ritec사의 고출력 비선형 초음파 분석 장비(RAM-5000 SNAP)를 사용하였고, 고무 공진 신호를 계측하기 위해 Krautkramer사의 공칭 주파수 100 kHz인 접촉식 일진동자 초음파 탐촉자(K0,1G)를 사용하였다.
- 스틸/고무 접착 시험편을 제작하기 위해 스틸 두께가 1.86 mm, 2.82 mm, 5.68 mm 및 7.00 mm이고 길이와 폭이 150 mm인 스틸 평판을 스틸 두께별로 3개씩 12개를 준비하였다. 모든 스틸 평판은 고무를 잘 접착시키기 위해 샌딩 작업을 한 후에 켐록을 도포하였다.
- 실험에 사용한 탐촉자는 공칭 주파수가 100 kHz인 접촉식 일진동자 탐촉자이다. 탐촉자의 특성을 평가하기 위해 고무로부터 반사되는 신호를 취득하였고, 취득된 신호를 고속퓨리에변환 (FFT)하여 주파수를 분석하였다.
- 실험은 스틸/고무 접착 시험편과 100 kHz 탐촉자를 이용하였고, 초음파는 스틸면에서 고무 내부로 입사시켰다. 실험에 사용한 스틸/고무 접착 시험편의 스틸 음속은 5,920 m/s이므로 스틸 두께가 1.
- 100 kHz 탐촉자는 펄스 반복 주파수를 50 Hz로 설정하였고, 톤버스트의 펄스 폭을 30 μs로 가진하여 제 1 공진 주파수를 분석하였다. 탐촉자로부터 수신된 초음파 신호는 Gage사의 A/D 보드(CS82G)를 통해 디지털 신호로 전환하여 분석하였고, 샘플링 주파수는 10 MS/s 였다.
데이터처리
- 실험에 사용한 탐촉자는 공칭 주파수가 100 kHz인 접촉식 일진동자 탐촉자이다. 탐촉자의 특성을 평가하기 위해 고무로부터 반사되는 신호를 취득하였고, 취득된 신호를 고속퓨리에변환 (FFT)하여 주파수를 분석하였다. Fig.
이론/모형
- 은 Hook's 법칙을 이용하여 제 1 공진 주파수를 예측하였고, 금속 접착 구조물의 접착제로 사용한 에폭시 두께를 제 1 공진 주파수를 이용하여 측정하였다[3].
- 은 고주파수 초음파를 이용하여 펄스에코법으로 치아의 에나멜 두께를 측정하였고, Zhao et al.은 종파 속도를 이용하여 펄스에코법으로 에폭시 코팅 두께를 측정하였다[1, 2]. 상기 방법은 탐촉자를 검사물에 직접 접촉시키거나 탐촉자와 검사물에 일정한 물거리를 두고 검사물의 두께를 측정한다.
성능/효과
- 1) 기존의 펄스에코법은 스틸 연소관 내부에서 고무면에 탐촉자를 접촉시키기 때문에 고무면을 오염시킬 수 있으므로 추진제/라이너 미접착과 같은 결함을 유발시킬 수 있다.
- 2) 스틸 및 고무의 음향 두께보다 탐촉자의 파형 지속시간이 긴 경우에는 펄스에코법을 이용하여 각 매질에서의 반사 신호를 구분할 수 없다.
- 3) 초음파의 대역폭은 고무 공진 주파수 범위로 제한하였기 때문에 스틸 공진 주파수는 측정되지 않았다.
- 4) 스틸에 고무만 접착된 경우에서는 실제 고무 두께와 실험으로 측정한 고무 두께 차이가 대부분 0.2 mm 내에서 발생하였고, 스틸에 고무가 접착되고 라이너가 도포된 경우에서는 실제 고무 두께와 실험으로 측정한 고무 두께 차이는 대부분 0.1 mm 내에서 발생하였다.
- 5) 실제 고무 두께는 실험으로 측정한 고무 두께와 약간의 차이가 있었지만, 고무 및 라이너의 두께 편차를 고려하면 실제 고무 두께는 실험으로 측정한 고무 두께와 일치한다고 판단하였다.
- 고무 두께는 각 스틸의 두께에 따라 2.86 mm, 4.03 mm, 5.05 mm였지만, 오토클래이브에서 고무를 녹여 성형하였기 때문에 같은 시험편 내에서도 굴곡이 있어 두께가 일정하지 않았고 마이크로미터를 이용하여 두께를 측정하였을 때 ± 0.20 mm의 두께 편차가 발생함을 확인하였다.
- 고무 음속은 1,532 m/s이므로 고무 두께에 따라 고무 제 1 공진 주파수는 75.84 kHz∼133.91 kHz 범위 내에서 측정될 것으로 예측하였고, 고무에 라이너가 접착된 경우는 고무 두께에 라이너 두께를 합산하여 고무 제 1 공진 주파수는 63.20 kHz∼98.97 kHz 범위 내에서 측정될 것으로 예측하였다.
- 고무면에 라이너가 접착되었을 때 초음파 공진의 영향을 알기 위하여 성형된 고무 절반 면적에 라이너를 1.01 mm 두께로 도포하였으며, 고무면보다는 굴곡이 적었지만 두께가 일정하지 않았고 마이크로미터를 이용하여 두께를 측정하였을 때 ± 0.10 mm의 두께 편차가 발생함을 확인하였다.
- 스틸/고무 접착 시험편으로 측정한 고무 제 1공진 주파수는 이론으로 예측한 고무 제 1 공진 주파수와 비교하여 약간의 오차를 보이고 있다. 스틸/고무 접착 시험편에서 스틸에 고무만 접착된 경우에서는 실제 고무 두께와 실험으로 측정한 고무 두께 차이가 대부분 0.
- 75mm로 계산하였다. 주파수 분석 결과 스틸 제 1 공진 주파수는 탐촉자의 대역폭을 벗어나므로 측정되지 않았고, 고무 제 1 공진 주파수는 103.75 kHz에서 측정되었다. 고무 제 1 공진 주파수인 103.
- 47 kHz에서 측정될 것으로 예측하였다. 주파수 분석 결과 스틸 제 1 공진 주파수는 탐촉자의 대역폭을 벗어나므로 측정되지 않았으나, 고무 제 1 공진 주파수는 100.09 kHz에서 측정되었고, 고무 제 2 공진 주파수는 300.29 kHz에서 약하게 측정되었다. 고무는 초음파 파장이 (2n-1)λ/4의 조건에서 공진하게 되며 고무 제 1 공진 주파수인 100.
- 83 mm가 된다. 주파수 분석한 실제 고무 두께가 3.97 mm였으므로 실제보다 0.14 mm 적게 측정되었다.
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