공진 초음파 온도 측정

KISTI 미리안 2013-02-25

초음파(ultrasonic)와 특성 주파수(characteristic frequency)를 일치(match)시켜 전파(wave)를 이용하여, 재료 내의 defect로 효율적인 에너지 펌핑(energy pumping)을 할 수 있다. 국소의 defect 공진(LDR; Local Defect Resonance)의 개념과 초음파를 이용한 온도 측정법(ULT; Ultrasonic Thermography)에서 진동을 열로 변환하는 효율을 잠정적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 초음파 온도 측정의 공진 모드(mode)는 고출력 초음파 장비를 통해서만 가능했던 defects 활성화를 훨씬 낮은 음파를 통해서도 가능함을 시연하였다. 초음파 온도 기록법(ULT; Ultrasonic Thermography)은 초음파 여기(excitation)에 의해 defects에서 열이 발생하는데, 이에 대한 응답(response)에 기초, 산업용 부품이나 재료를 비파괴 검사할 수 있는 기술이다. 그러나 초음파 진동에 의한 발생하는 열 때문에 측정 가능한 응답을 위해서는 높은 출력(high power)의 초음파 장비를 사용해야 한다. 이 연구는 새로운 기술의 ULT(초음파를 이용한 온도 측정기술)로서 국소의 defect 공진(LDR; Local Defect Resonance) 개념을 사용하여 초음파 온도 기록의 민감도(sensitivity)와 효율(efficiency)을 향상시킬 수 있음을 제안한 보고이다. 국소의 defect 공진(LDR)을 실험적으로 나타내는 직접적인 방법으로는 넓은 주파수 영역에 걸쳐 specimen의 각각 기여도를 측정하는 방법이 있다. 이를 위해서는 광대역 압전 변환기(piezoelectric transducer)에 의한 초음파 여기(excitation)로 specimen 표면을 스캐닝(scanning)하는 레이저 진동기(laser vibrometer)가 필요하다. defect 의 위치를 알면, LDR 주파수 응답은 단일점(single-point) 스펙트랄(spectral) 측정으로 얻을 수 있다. [그림 1(a)]는 PMMA plate에 시뮬레이션된 defect에 대해 측정된 LDR 주파수 응답의 예를 보여준다. 약 100 정도의 높은 LDR Q-factor는 FBH(Flat Bottom Hole) 내부의 국소적인 진동의 강한 증폭(20~30 dB)을 만들어낸다([그림 1(b)]). 이 실험에서, defects의 열 응답에 대한 LDR의 효과가 조사되었는데, 일반적인 초음파 열 측정(ULT; Ultrasonic Thermography)과는 달리, specimen 표면에 접착된 일반 디스크와 같은 압전세라믹 변환기를 사용하였다. 입력 전압은 HP33120A function generator와 전압 증폭기 HVA3/450을 통해, 최대 80V까지 변환기에 인가하여 최대 100kHz의 굽힘파(flexural wave)를 여기(excitation)시킨다. 정상파 진폭(standing wave amplitude)은 스캐닝 레이저 진동기를 이용하여 모니터링(monitoring)된다. defects의 열 응답은 적외선 카메라(IRCAM Equus 327 K, NETE~15~20 mK)를 이용하여 측정되었다. 원문에서는 원형의 FBH(Flat Bottom Hole)에 대한 ULT(초음파 온도 측정)의 이미지 예를 보여주고, FBH의 열 응답의 역학(dynamics)을 보여준다. 원문의 이미지는 LDR 주파수에서 defect 온도의 큰 증가가 ULT 이미지의 신호 대 잡음 비(SNR; Signal to Noise Ratio)를 향상시켜 주는 것을 알 수 있다. 즉, SNR의 증가는 잡음 레벨(noise level)이 감소하기 때문에 lock-in ULT 모드(mode)에서 발생하는 것으로 알려진다. 표면의 온도 이미지를 적외선 카메라로 기록하고, lock-in 주파수에서 discrete 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 적용하면, SNR(신호 대 잡음 비)과 민감도(sensitivity)가 향상된 이미지를 얻을 수 있고, 이는 [그림 2]에 제시되었다. [그림 2(a)]는 일반 진폭의 이미지와, [그림 2(b)]는 FBH의 ULT(Ultrasonic Thermography) 이미지를 보여준다. 이 실험에서 사용된 입력 음향 전력은 약 3mW에 불과하지만, LDR lock-in 이미지를 얻기에는 충분한 것으로 보인다. 충분한 세기의 초음파는 defects의 ACU 여기(excitation)를 사용하여 원거리 ULT모드를 가능케 한다. 이를 위해, Ultran ACU 변환기(transducer)를 사용하였으며, 변환기는 defect 영역으로부터 수 cm 떨어져 위치하고, 적외선 이미지는 반대쪽 plate에 위치하게 된다. ACU 세기(power)를 측정하기 위해 AC-radiometer가 사용되었다.[그림 3(a)]는 PMMA plate 내에 FBH의 ACU ULT 이미지를 보여준다. 입력 ACU 세기가 약 50mW이고 30초의 초음파 입사 시간을 적용하여 FBH 영역의 온도가 약 0.6K 상승하게 된다. 이는 적외선 카메라의 민감도보다 훨씬 높은 수치이다. [그림 3(b)]에 제시된 데이터를 defect 가열(heating)과 ACU ULT 모드(mode)의 효율을 평가하기 위해 필요한 power를 계산하고자 사용되었다. 이 연구를 통해 LDR(국소의 defect 공진) 개념을 적용하여, 초음파 온도 감지를 위한 진동-열 변환의 효율을 향상시킬 수 있음을 시연하였다. LDR ULT(국소의 defect 공진을 이용한 초음파 온도 감지 기술)는 defect를 활성화하기 위해 훨씬 작인 세기의 음향(acoustic) power만을 필요로 한다. 이는 ACU 여기(excitation)를 사용하여 원거리 ULT 모드와 고출력 초음파 기기가 필요하지 않을 수 있음을 시사한다. GTnet238-1.JPG GTnet238-2.jpg GTnet238-3.JPG http://apl.aip.org/resource/1/applab/v102/i6/p061905_s1