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문제 정의
- 그러나 이와 같은 능동적 방법은 석조문화유산의 초음파 측정에 적용할 수 없을 뿐만 아니라 이차적 손상을 야기할 수 있어 상당한 제약이 따른다. 따라서 이 연구에서는 석조문화유산의 표면 요철도를 고려한 맞춤형 초음파 측정법을 설정하기 위해 다양한 거칠기를 가지는 암석 시편을 대상으로 실험연구를 수행하였다. 이를 위해 새로운 접촉매질인 엘라스토머 커버를 개발하였고, 선행 연구(Lee et al.
제안 방법
- 이 결과, 잔다듬 면은 JRC 4(Figure 5b), 거친다듬 면은 JRC 8(Figure 5c), 정다듬면은 JRC 18 (Figure 5d)로 분석되었다. 각각의 거칠기 면에는 탐촉자와 접촉매질에 따른 7개 유형을 모두 적용하였으며, 이때 초음파 측정은 x, y, z축을 중심으로 3축 방향의 6면에 대해 직접(12지점) 및 간접전달방법(12지점)으로 수행하였다. 측정 결과는 연마 표면의 기준 속도와 비교하여 상관관계를 파악하였다.
- (2010)은거친다듬과 잔다듬 시편에 스너그 접촉매질을 적용하여 초음파속도 강도 추정식을 제안하였다. 그러나 이 연구는 석조문화유산의 제작기법에 주로 사용된 정다듬을 고려하지 않았고 탐촉자 역시 표면 요철도에 민감한 표준형 탐촉자만을 활용하였다. Lee et al.
- 따라서 석조문화유산의 초음파 측정용 접촉매질은 감쇠를 최소화하고 측정 후 잔류물질이 남지 않는 건조성 타입이 적합하며, 이 연구에서는 총 4종류의 매질을 이용하여 비교실험을 수행하였다. 이 중 첫 번째는 젤 타입의 접촉매질이고, 두 번째는 1mm 두께의 실리콘 시트이며, 세번째는 라텍스 커버+고무찰흙이다.
- 따라서 이 연구에서는 선행연구를 보완하여 새로운 접촉매질을 개발하였고, 거칠기 시편을 대상으로 초음파속도와 파형을 분석하여 석조문화유산의 초음파 측정에 적합한 탐촉자 및 접촉매질을 선정하였다. 먼저 새로 개발된 접촉매질은 초음파 감쇠를 최소화하고 측정 후 잔류물질이 남지 않는 건조성 타입의 엘라스토머 커버이다.
- 따라서 이 연구에서는 시편의 초음파속도, 파장 및 탐촉자의 주파수를 고려하여 연마 시편은 60×60×300mm 크기로, 거칠기 시편은 300×300×300mm 크기로 제작하였다(Figure 1a).
- 초음파는 물질을 통과하면서 원래의 강도로부터 지수적으로 감소하고, 이는 표면 거칠기가 증가할수록 높아지기 때문이다. 따라서 이 연구에서는 오실로스코프를 이용하여 연마 및 거칠기 면의 유형별 초음파 신호와 감쇠율을 정량적으로 분석하였다(Figure 8, Table 5).
- , 2004). 따라서 이 연구에서는 초음파 전달시간 측정기에 오실로스코프(Tektronix, TDS 1012)를 연결하여 초음파 파형을 관찰하고 디지털 분석을 수행하였다. 오실로스코프의 수직축은 전압의 변화이고 수평축은 시간의 변화로서, 수신 파형을 통해 탐촉자와 접촉매질 선정의 중요한 근거 자료를 확보하였다.
- 이 중 첫 번째는 젤 타입의 접촉매질이고, 두 번째는 1mm 두께의 실리콘 시트이며, 세번째는 라텍스 커버+고무찰흙이다. 마지막으로 네 번째는 이번에 새롭게 고안한 초저경 커버로, 지수형 탐촉자에 사용할 있게 맞춤형으로 제작하였다. 초저경 커버에 사용된 재료는 엘라스토머(elastomer)라 불리는 고분자 탄성 중합체로 외력이 제거되면 원래의 모양과 크기로 되돌아가려는 탄성력이 매우 우수하다.
- 이 연구에서는 암석의 요철도에 따른 유형별 초음파 특성을 분석하기 위해 표면이 잘 연마된 300×300×300mm의정방형 공시체(거창화강암)를 대상으로 기준속도를 측정하고 세 종류의 거칠기를 제작하였다. 먼저 기준 속도는 대표적으로 유형 A와 유형 F를 이용하여 직접 및 간접전달방법으로 측정하였다. 분석 결과, 각축별로 유형 A의 직접전 달방법은 3,365㎧, 4,008㎧, 4,011㎧를, 간접전달방법은 2,903㎧, 2,927㎧, 3,166㎧를 나타냈다.
- 연마 표면에서 획득한 초음파속도를 기준으로 표면 요철도 및 7개 유형에 따른 평균 보정계수를 산출하였다 (Table 4, Figure 6, 7). 분석 결과, 유형 A는 잔다듬 및 거친다듬 면의 직접전달방법을 제외하고 비교적 불안정한 초음파속도와 높은 보정계수를 나타냈다.
- 따라서 이 연구에서는 초음파 전달시간 측정기에 오실로스코프(Tektronix, TDS 1012)를 연결하여 초음파 파형을 관찰하고 디지털 분석을 수행하였다. 오실로스코프의 수직축은 전압의 변화이고 수평축은 시간의 변화로서, 수신 파형을 통해 탐촉자와 접촉매질 선정의 중요한 근거 자료를 확보하였다.
- 이 연구에서는 300mm 정방형 공시체의 거칠기 면을 프로파일 게이지(profile gauge)로 각각 5회 측정하여 JRC 값을 획득하였다. 이 결과, 잔다듬 면은 JRC 4(Figure 5b), 거친다듬 면은 JRC 8(Figure 5c), 정다듬면은 JRC 18 (Figure 5d)로 분석되었다.
- 이 연구에서는 세 종류의 풍화도를 고려한 연마 시편 (60×60×300mm)을 대상으로 7개의 유형과 3종류의 펄스 전압에 따른 초음파속도를 분석하였다(Table 2, Figure 4).
- 이 연구에서는 암석의 요철도에 따른 유형별 초음파 특성을 분석하기 위해 표면이 잘 연마된 300×300×300mm의정방형 공시체(거창화강암)를 대상으로 기준속도를 측정하고 세 종류의 거칠기를 제작하였다.
- 98g/cc로 확인되었다. 이 연구에서는 앞에서 설명한 2종류의 탐촉자와 4종류의 접촉매질을 고려하여 총 7종류의 유형을 설정하였다(Table 1). 이 중 유형 1은 연마된 암석 시편의 표준시험에서 사용되는 방법이자 가장 안정적인 초음파속도를 획득할 수 있어 보정을 위한 기준 유형으로 선정하였고, 나머지 유형은 실험대상으로 설정하였다.
- 그러나 접촉 면적이 작기 때문에 거리 증가에 따른 초음파 감쇠율이 높은 단점이 있다. 이 연구에서는 위에서 살펴본 탐촉자의 주파수, 접촉면적, 적용방법 등을 고려하여 표준 탐촉자와 지수형 탐촉자를 이용하였다.
- 따라서 이 연구에서는 석조문화유산의 표면 요철도를 고려한 맞춤형 초음파 측정법을 설정하기 위해 다양한 거칠기를 가지는 암석 시편을 대상으로 실험연구를 수행하였다. 이를 위해 새로운 접촉매질인 엘라스토머 커버를 개발하였고, 선행 연구(Lee et al., 2009; Kim et al., 2010)에서 제안한 탐촉자 및 접촉 매질을 활용하여 초음파속도와 파형분석을 수행하였다. 이를 통해 표면 요철도에 적합한 가장 이상적인 탐촉자와 접촉매질을 선정하여 석조문화유산 초음파 측정법의 신뢰도 향상에 기여하였다.
- 각각의 거칠기 면에는 탐촉자와 접촉매질에 따른 7개 유형을 모두 적용하였으며, 이때 초음파 측정은 x, y, z축을 중심으로 3축 방향의 6면에 대해 직접(12지점) 및 간접전달방법(12지점)으로 수행하였다. 측정 결과는 연마 표면의 기준 속도와 비교하여 상관관계를 파악하였다.
- 이 접촉 매질은 경도 <5 Shore A, 인장강도 17MPa, 신장도 625%의 물성을 가져 탄성력이 매우 우수하며 마모되지 않는 특징이 있다. 탐촉자 및 접촉매질 선정 실험은 엘라스토머 커버를 포함한 4종류의 접촉매질과 2종류의 탐촉자를 이용하여 총 7개 유형으로 실시하였다. 또한 표면 요철도는 연마 표면과 함께 잔다듬, 거친다듬, 정다듬의 인위적 거칠기로 제작되었다.
대상 데이터
- 모든 시편은 파장에 의한 간섭효과를 고려하여 길이 방향(300mm)의 직접전달방법으로 초음파속도를 측정하였다(Figure 1b). 시편으로 사용된 암석은 거창 화강암, 보령 사암, 완주 석회암이다.
- 별도의 오실로스코르를 이용하지 않는 디지털 초음파 전달시간 측정기는 이러한 복잡한 신호 중 가장 먼저 수신된 종파의 전달 시간을 자동으로 측정하기 때문에 종파, 즉 P 파 신호에 대한 검출감도와 분해능이 좋아야 한다. 이 연구에 사용된 초음파 측정기는 암석공학 및 석조문화유산 분야에서 국내외적으로 널리 사용되고 있는 CNS Farnell사의 Pundit-plus이며, 펄스 전압은 250V, 500V, 1200V로 설정하였다.
- 이 연구에서는 앞에서 설명한 2종류의 탐촉자와 4종류의 접촉매질을 고려하여 총 7종류의 유형을 설정하였다(Table 1). 이 중 유형 1은 연마된 암석 시편의 표준시험에서 사용되는 방법이자 가장 안정적인 초음파속도를 획득할 수 있어 보정을 위한 기준 유형으로 선정하였고, 나머지 유형은 실험대상으로 설정하였다. 각 유형별 사진은 Figure 3과 같다.
이론/모형
- 따라서 이 연구에서는 시편의 초음파속도, 파장 및 탐촉자의 주파수를 고려하여 연마 시편은 60×60×300mm 크기로, 거칠기 시편은 300×300×300mm 크기로 제작하였다(Figure 1a). 모든 시편은 파장에 의한 간섭효과를 고려하여 길이 방향(300mm)의 직접전달방법으로 초음파속도를 측정하였다(Figure 1b). 시편으로 사용된 암석은 거창 화강암, 보령 사암, 완주 석회암이다.
성능/효과
- 이는 접촉매질로 사용한 엘라스토머 커버가 요철 표면에 충분히 밀착되어 탐촉자와 시편 사이의 공극을 제거했기 때문이다(Figure 10). 따라서 표면 요철 도가 있는 석조문화유산의 초음파 측정은 유형 F의 지수형 탐촉자와 엘라스토머 접촉매질을 사용하는 것이 가장 적합할 것으로 판단된다.
- 이는 접촉매질로 사용한 엘라스토머 커버가 요철 표면에 충분히 밀착되어 탐촉자와 시편 사이의 공극을 제거했기 때문이다(Figure 10). 따라서 표면 요철 도가 있는 석조문화유산의 초음파 측정은 유형 F의 지수형 탐촉자와 엘라스토머 접촉매질을 사용하는 것이 가장 적합할 것으로 판단된다.
- 00을보여 표면 거칠기에 큰 영향이 없는 것을 알 수 있다. 또한 간접전달방법의 보정계수 역시 잔다듬 면에서 1.04, 거친 다듬 면에서 1.03, 정다듬 면에서 1.04의 매우 낮은 수치로 확인되었다.
- 또한 연마 표면에서 측정된 기준 값과 비교할 때, 유형 D∼G가 유형 A∼C보다 매우 안정된 초음파속도를 보였다.
- 이 결과, 유형 A가 모든 시편에서 가장 높은 초음파속도를 보였으며, 펄스 전압별 속도의 안정성도 일부 석회암을 제외하고 양호한 경향을 나타냈다. 또한 유형 B는 유형 A에비해 초음파속도가 감소하는 경향이 있지만 펄스 전압에 따른 안정성은 비교적 높은 것으로 확인되었다. 접촉매질을 사용하지 않은 유형 C는 유형 A에 비해 초음파속도가 급격히 떨어지고 펄스 전압에 따른 변화 역시 확연하였다.
- 분석 결과, 각축별로 유형 A의 직접전 달방법은 3,365㎧, 4,008㎧, 4,011㎧를, 간접전달방법은 2,903㎧, 2,927㎧, 3,166㎧를 나타냈다. 또한 유형 F의 직접전달방법은 3,130㎧, 3,711㎧, 3,736㎧를, 간접전달방법은 2,259㎧, 2,370㎧, 2,371㎧로 확인되었다. 이처럼 기준속도 측정이 완료된 시편은 석조문화유산의 표면 요철 도를 구현하기 위해 축 방향에 따라 잔다듬, 거친다듬, 정다듬의 인위적 거칠기를 만들었다.
- 먼저 연마 표면에서 측정한 초음파 수신 파형의 첨두치 값을 비교한 결과, 유형 A가 다른 유형들에 비해 월등히 높은 첨두치인 840mV를 보였다. 또한 유형 A와 동일한 탐촉자를 사용하나 접촉매질이 다른 유형 B는 초음파 감쇠가 두드러지며, 접촉매질을 사용하지 않은 유형 C는 파형의 잡음레벨이 너무 높아 신호 포착이 어려웠다.
- 먼저 기준 속도는 대표적으로 유형 A와 유형 F를 이용하여 직접 및 간접전달방법으로 측정하였다. 분석 결과, 각축별로 유형 A의 직접전 달방법은 3,365㎧, 4,008㎧, 4,011㎧를, 간접전달방법은 2,903㎧, 2,927㎧, 3,166㎧를 나타냈다. 또한 유형 F의 직접전달방법은 3,130㎧, 3,711㎧, 3,736㎧를, 간접전달방법은 2,259㎧, 2,370㎧, 2,371㎧로 확인되었다.
- 연마 표면에서 획득한 초음파속도를 기준으로 표면 요철도 및 7개 유형에 따른 평균 보정계수를 산출하였다 (Table 4, Figure 6, 7). 분석 결과, 유형 A는 잔다듬 및 거친다듬 면의 직접전달방법을 제외하고 비교적 불안정한 초음파속도와 높은 보정계수를 나타냈다. 이때의 직접 및간접전달방법의 평균 보정계수는 잔다듬 면에서 각각 1.
- 완성된 엘라스토머 커버의 물성을 분석한 결과, 색은 투명하고, 경도는 <5 Shore A이며, 인장강도는 17MPa이다.
- 이 연구에서는 세 종류의 풍화도를 고려한 연마 시편 (60×60×300mm)을 대상으로 7개의 유형과 3종류의 펄스 전압에 따른 초음파속도를 분석하였다(Table 2, Figure 4). 이 결과, 유형 A가 모든 시편에서 가장 높은 초음파속도를 보였으며, 펄스 전압별 속도의 안정성도 일부 석회암을 제외하고 양호한 경향을 나타냈다. 또한 유형 B는 유형 A에비해 초음파속도가 감소하는 경향이 있지만 펄스 전압에 따른 안정성은 비교적 높은 것으로 확인되었다.
- 이 중 연마 표면은 유형 A(표준형 탐촉자+젤 타입 접촉 매질)로 초음파 측정을 수행하는 것이 가장 신뢰도 높은 초음파속도와 파형 데이터를 획득할 수 있었다. 그러나 석조 문화유산은 표면 요철이 존재하고 잔류성 높은 젤 타입의 접촉매질을 사용할 수 없기 때문에 유형 A는 보정계수 산출을 위한 기준 유형으로 적합하다.
- , 2010)에서 제안한 탐촉자 및 접촉 매질을 활용하여 초음파속도와 파형분석을 수행하였다. 이를 통해 표면 요철도에 적합한 가장 이상적인 탐촉자와 접촉매질을 선정하여 석조문화유산 초음파 측정법의 신뢰도 향상에 기여하였다.
- 이상의 내용을 종합하면, 유형 A∼C의 직접 및 간접전달방법은 각각 잔다듬 면에서 1.02∼1.18과 1.53∼1.90을,거친다듬 면에서 1.13∼1.50과 1.81∼2.15를, 정다듬 면에서 1.15∼1.37과 2.08∼2.32를 나타냈다.
- 이상의 내용을 종합하면, 표면 요철이 없는 연마 시편은 유형 A로 초음파 측정을 수행할 경우 가장 신뢰도 높은 데이터를 획득할 수 있었다. 그러나 석조문화유산은 표면 요철이 존재하고 잔류성 높은 젤 타입의 접촉매질을 사용할수 없기 때문에 지수형 탐촉자와 엘라스토머 커버 접촉매질을 사용하는 유형 F로 초음파 측정을 수행하는 것이 가장 적합한 것으로 판단된다.
- 지수형 탐촉자를 사용한 유형 D∼G는 전반적으로 표준 탐촉자를 사용한 유형 A에 비해 낮은 초음파속도가 확인되었다.
- 또한 펄스 전압에 따른 초음파속도에서도 큰 차이는 없지만 상대적으로 1200V에서 높은 초음파속도를 나타냈다. 특히 가장 높은 초음파속도와 펄스 전압별 안정성을 보인 유형은 접촉매질로 엘라스토머 커버를 사용한 유형 F로 판정되었으며, 고무찰흙을 사용한 유형 E도 비교적 양호한 결과를 보였다. 그러나 접촉매질을 사용하지 않은 유형 G는 유형 F에 비해 상대적 저속도가 뚜렷하다(Figure 4).
- 이를 통해 암석표면의 거칠기는 초음파속도 감쇠에 많은 영향을 끼치는 것을 알 수 있다. 특히 잔다듬(JRC 4), 거친다듬(JRC 8), 정다듬(JRC 18)으로 갈수록 초음파 측정값은 불안정하고 재현성은 감소하는 반면 보정계수는 증가하였다. 이러한 현상은 감도가 좋은 직접법에 의한 초음파 측정보다 비교적 감도가 나쁜 간접법에 의한 초음파 측정에서 뚜렷하였다.
- 암석의 표면 거칠기는 초음파속도 감쇠에 많은 영향을 끼쳤다. 특히 정다듬에서 잔다듬으로 갈수록, 간접전달방법보다는 직접전달방법에 서 초음파 측정값은 안정되고 재현성이 증가하며 보정계수는 감소하였다.
- 한편 거칠기에 따른 진폭 변화를 살펴본 결과, 유형 A∼ C는 모든 거칠기 면에서 매우 큰 첨두치 변화가 확인되었다.
- 한편 유형 D∼G의 직접 및 간접전달방법 결과를 살펴보면, 전반적으로 유형별 큰 차이가 없으나 상대적으로 유형 F가 가장 안정적인 초음파속도와 낮은 보정계수를 나타냈다.
- 한편 지수형 탐촉자를 이용하는 유형 D∼G가 표준형 탐촉자를 사용하는 유형 A∼C에 비해 매우 안정된 초음파 속도와 파형을 나타냈다.
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