공기층 두께에 따른 열음향 가진 초음파 전달 및 램파 응답 분석

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확장요약문

비접촉 초음파 비파괴검사는 센서를 부착하지 않고 공기를 통해 얇은 판에 램파(Lamb wave)를 가진할 수 있다. 그러나 공기–알루미늄 간 큰 음향 임피던스 차이로 경계면 반사가 커져 초음파 전달 및 램파 응답이 약화된다. 따라서 판까지의 음향 전달 조건을 개선할 필요가 있다. 본 연구에서는 공기층 두께에 따라 반사파 간섭과 공진 조건이 달라지는 점에 착안하였다. 유리(1 mm)–공기층–알루미늄(1 mm) 구조의 공기층 두께를 제어하여 먼저 MATLAB– COMSOL 비교로 초음파 투과 압력과 공진 조건을 분석하고, 이후 COMSOL 과 LDV 실험으로 A0 모드 램파의 수직 진동속도를 비교해 전달 증가가 진동 응답 증가로 이어지는지 검증하였다.

40 kHz 에서 공기 중 파장 λair 는 약 8.57 mm 이며, 공기층 두께를 λair/8(약 1.07 mm) 간격으로 변경하였다. MATLAB 에서는 1 Pa 입사 압력을 기준으로 투과 압력을 계산하고 COMSOL 에서 동일 구조를 해석하였다. 4.29 mm(λair/2)에서 최대 0.469 Pa 를 보였고, 8.57 mm(λair), 12.86 mm(3λair/2)에서도 공진 피크가 확인되었다(Fig. 1). 두 해석은 약 λair/2 주기로 반복되는 유사한 공진을 보였고, 피크 위치는 다층 구조의 입력 임피던스에 영향을 받았다.

COMSOL 에서는 A0 모드의 수직 진동속도(Y-velocity)를 분석하였다. 실험에서는 열음향 초음파 트랜스듀서를 40 kHz, 5 Vpp, 증폭 이득 40, 20 주기 버스트(30 ms 반복)로 구동해 판을 비접촉 가진하였다. 가진 위치에서 약 15 cm 떨어진 알루미늄 표면의 한 지점을 레이저 도플러 진동계(LDV)로 단일점 측정하고 3,000 회 평균하였다. 측정 신호는 대역통과 필터와 FFT 로 분석하였다. COMSOL 은 4.29 mm(λair/2)에서 최대 램파 응답을 보였으나 실험에서는 구현이 어려워 8.575 mm(λair) 공진 두께를 적용하였다. 실험에서 6.43, 8.575, 10.72 mm 의 최대 수직 진동속도는 각각 0.339, 2.05, 0.703 μm/s 였다(Table 1). 8.575 mm 조건의 2.05 × 10⁻⁶ m/s 는 6.43 mm 의 3.39 × 10⁻⁷ m/s 보다 약 6 배 높았다. 공진 두께 조절의 초음파 전달 및 램파 응답 향상 효과를 확인하였다.