초음파 비선형 특성의 계측과 비파괴 평가에의 응용

Abstract

구조물의 안전 보장 문제 및 건전성 평가에 있어 파손 이전에 결함을 검출하는 것은 매우 중요하다. 특히 고도의 신뢰성과 안전성이 요구되는 항공, 발전, 원자력 산업의 발달과 더불어 그 중요도가 급격히 증대하고 있는 추세이다. 이러한 구조재의 건전성 평가를 위해 비파괴 검사 기법 중의 하나인 초음파 기법이 적용되어 왔지만, 선형 특성에 기초한 지금까지의 기술은 이미 발생된 결함을 검출하는데 치중되어 있으며, 파손이 발생할 수 있는 분위기가 조성된 상태, 즉 재질의 변질이나 닫혀진 균열의 검출에는 한계를 가지고 있다. 이러한 배경에서 비선형 초음파 기법이 이러한 한계를 극복할 수 있는 기술로 주목을 받고 있다. 비선형 초음파 기법이란 초음파가 매질을 따라 전파할 때 비선형 음향 효과에 의해 입사된 기본 주파수 성분 이외에 고조파, 분조파 등 타 주파수 성분이 발생하는 현상을 이용하는 기법으로, 그 중 고조파 발생 메커니즘은 재료의 비선형 탄성거동에 의한 것과 계면 접촉에 의한 것으로 구분된다. 이러한 메커니즘에 의해 발생되는 비선형 초음파는 미세조직의 변화나 간격이 매우 좁은 또는 균열의 닫혀진 정도에 민감하게 응답을 하기 때문에, 조기에 재료의 열화나 결함을 평가할 수 있는 방법으로 평가되고 있다. 하지만, 오랜 연구에도 불구하고 이 기술의 현장 적용은 아직 미미한 실정이다. 현장적용 위해서는 측정 결과의 신뢰성과 기술의 적용성이 매우 중요하다. 그런데, 초음파의 비선형성의 척도인 비선형 파라미터의 측정 결과가 측정 시스템을 구성하고 있는 요소의 상태에 따라 영향을 받고 있어 측정 결과에 대한 정확도와 정밀도에 문제점이 제기되며, 이는 정량적인 평가를 어렵게 한다. 또한 기존 연구에서는 대부분 벌크파의 투과법을 이용하여 진행되어 왔기 때문에 현재 적용 대상의 한계를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 신뢰성 있는 비선형 파라미터 측정을 위해 파라미터 계측에 영향을 미치는 시스템 인자에 대해 분석하고, 이에 대한 해결책을 제시한다. 특히 커플런트와 신호의 양자화에 의한 영향에 대해 이론적, 실험적인 분석을 시행하고, 이를 기반으로 하는 계측 장치 구성을 제안하였다. 그리고, 상기의 연구를 바탕으로 피로 및 닫힘 균열 시편에 대한 비선형 평가를 시행하고, 비선형 초음파 기술의 가능성과 효용성을 검증한다. 또한 적용대상 확대를 위해 표면파와 유도초음파의 음향 비선형성에 대해 기초 연구 및 실험적 검증을 시행하였다.