비접촉 유도초음파 가진을 위한 열음향 트랜스듀서 배열 인자 분석

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확장요약문

공기접합 초음파는 접촉매질 없이 초음파를 전달할 수 있으며, 면외 방향으로 진동하는 A₀ Lamb파는 결함과 두께 변화에 민감하여 넓은 영역의 비파괴검사에 유리하다. A₀ Lamb파를 선택적으로 가진하려면 판 표면의 음압이 목표 A₀ 파장 간격으로 반복되어야 하며, 이 음압 패턴은 트랜스듀서 배열의 간섭으로 결정된다. 본 연구에서는 트랜스듀서 폭(W), 배열 간격(D), 전파 거리(L)의 배열 효과가 A₀ Lamb파 가진에 미치는 영향을 분석하였다.

두께 1 mm 알루미늄 판에서 40 kHz A₀ 모드의 파장은 15.34 mm이며, 이를 목표 파장(λ_A0)으로 설정하였다. 공기 중 파장(λₐᵢᵣ)은 8.59 mm이다. 소자 폭 항, 배열 인자(AF), 전파 항의 곱인 음압 스펙트럼

^(ikzL)를 바탕으로 Angular Spectrum Method(ASM)를 이용하여 W, D, L에 따른 음압장을 계산하였다. 실험에서는 4소자 배열 마스크의 적용 여부에 따라 레이저 도플러 진동계(LDV)로 판의 진동 속도를 측정하였다.

해석 결과, W < 0.5λ_A0에서는 음압이 낮았고 W > 0.5λ_A0에서는 인접 빔이 합쳐져 넓은 패턴이 형성된 반면, W = 0.5λ_A0에서는 목표 파수 k_A0 성분이 최대가 되어 반복 패턴이 가장 뚜렷하였다. D = λ_A0에서는 배열 인자가 k_A0에서 최대가 되어 가장 규칙적인 간섭 패턴이 형성되었다. 실험에서도 배열 마스크를 적용한 경우 Lamb파 도달 구간의 진동 응답이 보다 명확하게 관찰되어 배열 효과를 확인하였다.

전파거리의 경우, 작은 L(1.0~1.5λₐᵢᵣ)에서는 추가 피크가 형성되어 평균 피크 간격이 7.7~8.1 mm로 목표 파장의 절반 수준이었으나, 큰 L(2.5~3.0λₐᵢᵣ)에서는 최대 음압의 감소 없이 피크가 다시 분리되어 평균 간격이 15.12~15.44 mm로 목표 파장에 근접하였다(오차 1.5% 이내). 이는 전파거리에 따라 소자 간 음파의 간섭 위상이 달라지기 때문으로 해석된다. LDV 측정에서도 L = 1.0, 1.5, 2.0, 2.75λₐᵢᵣ 중 가장 큰 L = 2.75λₐᵢᵣ에서 진폭이 가장 컸다.

따라서 W = 0.5λ_A0, D = λ_A0의 배열 설계가 목표 A₀ 파장 간격의 음압 패턴 형성과 실제 가진에 효과적이며, 구현 가능한 범위에서 작은 L보다 큰 L이 목표 파장에 부합하는 피크 간격을 얻는 데 유리함을 확인하였다.