제 3장 장비

 
3-1-2 진동자의 진동
소리굽쇠에 외력을 가했다가 외력을 제거해도 일정한 시간동안 계속 진동하게 되는 것과 마찬가지로 진동자에 전기적인 펄스가 가해지면 진동자는 진동을 하게 되고 어느정도 시간이 경과하게 되면 일정한 강도를 유지하게 되는데, 이때 외부의 전기적인 에너지를 제거하여도 진동이 즉시 정지되는 것이 아니라 서서히 감소하여 소멸된다.
진동자는 초음파탐상검사시 송수신에 직접 관계되기 때문에 진동자의 감도를 높게 유지해야 하는데, 진동자의 감도를 높게 유지하기 위해서는 일차적으로 펄스폭이 커야한다. 펄스폭은 펄스가 소멸될때까지의 시간이지만 일반적으로는 그림 (b)에 나타난 바와같이 최대강도의 약 20%로 줄어들었을때까지  펄스의 지속시간을 말한다.


펄스폭


이는 펄스가 형성되어도 일정한 강도에 이를때까지는 검출되지 않고 검출가능한 크기정도까지가 유효한 펄스가 되기 때문에 기준에 따라 약간씩 다르기는 하지만  대략 최대강도의 20%정도를 기준하여 펄스폭을 결정한다.
그러나 펄스폭은 결함검출도에 직접적인 영향을 미치지만 펄스폭이 커지면 펄스의 지속시간이 길어져 즉 분해시간이 길어져 다음에 계속되는 펄스를 분리할수 없으므로 인접한 반사원을 분리해낼수 있는 분해능은 낮아지게 된다. 즉 펄스폭에 따라서 결함검출도를 높게하면 분해능은 낮아지게되며 반대로 되기도 한다. 따라서 진동자에서의 펄스폭 조정은 검사목적에 따라 매우 중요하게 작용하는데 펄스폭의 조정은 진동자에 흡음재를 부착하여 한다. 흡음재의 재질에 따라 펄스의 지속시간이 달라지게 되는데, 흡음재와 진동자 재질의 음향임피던스가 동일하다면 흡음재를 부착한 효과가 거의 없기 때문에 펄스폭이 가장 길게된다. 일반적인 초음파탐상에 사용되는 탐촉자에서는 결함검출도와 분해능의 정도를 고려하여 진동자를 수정으로 사용하는 경우에는 음향임피던스비를 대략 5:1정도 되는 흡음재를 부착한다.


감쇠상수(Damping Coefficient) 

흡음재를 사용하는 또다른 목적은 진동자에서 발생한 초음파가 원하는 방향으로만 진행하는 것이 아니고, 그 반대면으로도 진행하기 때문에 원하지 않는 방향으로 진행하는 초음파를 흡수하는 흡수재 역할도 한다. 흡음재를 탐촉자내에 넣어 진동자에서 발생하는 펄스의 폭을 조절하는데 이때의 감쇠량은 감쇠상수(δ:Damping Coefficient)로 나타낸다.
감쇠상수는 그림에서와 같이 펄스가 지속되며 감소할 때 일정한 비율로 감소하기 때문에 펄스에서 인접된 파의 강도 비율이 감쇠상수(δ)가 된다.
즉 최대강도를 A0그리고 계속되는 강도를 각각 A 1 , A 2 . 표시하면 감쇠상수는 다음과 같이 표시된다.
                     ... 감쇠상수가 크다는 것은 감쇠의 비율이 크다는 것을 나타낸다.
또한 진동자에 전기신호의 주파수가 진동자의 공진주파수와 같을때 진동자의 진동은 최대값을 나타낸다. 이 공진주파수에서 펄스강도의 증가를 Q값(Q-Value)으로 나타내는데, 결국 감쇠상수(δ)는 Q값 및 대역폭(B : Band Width)과 함수관계를 갖게되며 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

  감쇠상수가 커지면 Q값이 커짐을 알 수 있다.

대역폭과 Q값 
또한 대역폭(B)은 그림에서 볼 수 있는 바와같이 공진주파수에서 최대강도의 (약 70%)되는 지점에서의 주파수를 라 할 때 그 차이값 으로 정의한다.
                               B=
또한 감쇠가 그다지 크지않은 경우에는 대역폭과 Q값과의 상관관계를 다음과 같은 근사식으로 나타낼수 있다. 

                ...... 
여기서   fr : 공진주파수
이상의 내용을 살펴보면 펄스의 지속시간이 길어지면 펄스의 감쇠가 작아지는 것을 의미하므로 감쇠상수(δ)는 작게 나타나며, Q값은 커지게 되고 따라서 대역폭은 적어진다. 이와같은 경우에는 결함의 검출도는 높아지지만 분해능은 낮아지게된다
따라서 초음파탐상검사에서 사용하는 진동자는 흡음재를 사용하여 Q값이 1~10정도가 되도록하여 사용하고 있다.
  펄스의 지속시간이 길어지면 퍼릇의 감쇠가 작아지는 것을 의미하는데 이때 감쇠상수, Q, 대역폭은?

감쇠상수는 작아지고 Q값은 커지며 대역폭은 적어짐
감쇠상수는 커지고 Q값은 작아지며 대역폭은 커짐