09. 비파괴 검사 - 초음파 검사 이미징 기

사람이 들을 수 있는 가청 주파수의 범위는 20-20,000Hz로 가청주파수 범위 이상의 높은 주파수를 가지는 음파를 초음파(ultrasound)라고 합니다. 초음파 영상(ultrasonography)란 음향 임피던스 차이가 있는 매질에 펄스 파를 조사하여 반사, 투과 되는 신호를 증폭, 변환하여 영상으로 나타낸 것을 뜻합니다. 오늘은 마이크로 초음파 스캐닝 이미지를 구현하게 해주는 초음파의 특성, 파동모드에 따른 분류, 진행원리에 따른 분류 등에 대해 알아보겠습니다.

0. 초음파의 특성
1. 펄스 초음파와 연속 초음파
2. 초음파의 파동모드에 따른 분류
3. 초음파의 진행원리에 따른 분류

 

0. 초음파의 특성

 초음파는 빛과는 달리 전파되기 위한 매개체가 필요하며 매개체의 특성에 따라 전달 속도에 차이가 납니다. 음파의 전달속도는 매질의 밀도에 반비례하고 경도 또는 체적 탄성률에 비례합니다. 한편, 초음파는 매질을 통해 전달되는 과정에서 흡수(absorption), 반사(reflection), 산란(scatter), 투과(transmission) 등의 여러 상호 작용을 하는데, 이러한 모든 성질이 종합되어 초음파 이미지를 나타냅니다. 

- 반사

 : 서로 다른 음향 임피던스를 가지는 두매질의 경계면에 음파가 입사되면 일부는 투과하고 일부는 반사되는데, 이때 반사되는 크기는 두 매질 간의 음파 저항 차이에 의해 결정됩니다.

- 투과

 : 초음파의 투과는 반사와 동시에 일어나는 현상으로 음파가 물체의 표면에서 일부 반사되고 일부는 통과하여 매질을 통하여 더 깊은 곳까지 도달하는 것을 말합니다.

- 굴절

 : 일정한 주파수를 가진 음파가 매질의 특성이 변화되었을 떄 전파속도가 바뀌면서 음파의 진행 방향이 꺾이는 현상을 뜻합니다.

 초음파의 입사각이 90도에서 조금만 벗어나도 굴절이 일어나며, 처음 매질 내에서 보다 두번째 매질 내에서 속도가 빠르면 안쪽으로, 속도가 느리면 바깥쪽으로 굴절이 생깁니다. 

- 흡수 

 : 음파가 매질을 진행할 때 매질을 이루는 분자 사이의 마찰력에 의해 음파에너지가 열에너지로 바뀌면서 강도가 약해지는 것을 말합니다. 

- 산란

 : 초음파가 반사되는 방식은 반사면의 크기나 표면의 성질에 의해 결정되는데, 반사면이 거칠거나 반사체를 만났을 때 초음파의 진행방향이 여러 방향으로 산란되게 됩니다. 이렇게 흩어진 음파들은 서로 간의 간섭을 통해 초음파 영상에서 노이즈를 형상할 수 있습니다. 산란 강도는 표면 특성 및 음파의 주파수와 관계가 있으며 산란은 주파수의 네제곱에 비례하여 높은 주파수의 탐촉자를 이용하면 산란으로 인한 영상 노이즈를 억제할 수 있습니다. 

 

1. 펄스 초음파와 연속 초음파

 스캐닝 현미경 이미징에 사용되고있는 초음파는 펄스파이나, 초음파에서는 연속파의 이론을 보통적으로 사용한다. 연속파에서는 파의 사이클 수가 중심 주파수에 고정되어 단일 주파수로 설명가능합니다. 한편, 펄스 초음파는 주파수 대역이 중심 수파수를 포함하지만 주파수의 범위, 즉 대역폭을 가지고 있습니다. 초음파의 펄스는 매질 내에서 매질 내 입자의 운동방향과 초음파 파동의 운동방향이 같은 종파처럼 전달됩니다.

1) 연속파 (continuous wave) 

 : 초음파를 연속적으로 송수신해야하므로 탐촉자 내에 송신부와 수신부로 구분된 두개의 압전 물질 그룹을 이용하며, 초음파 이미징이 

  불가능

2) 펄스파(pulsed wave)

: 하나의 탐촉자가 짧은 시간에 초음파 beam을 방출하고 쉬는 사이에 반사된 에코를 수신

 - 펄스 반복 주파수 (pulse repetition frequency, PRF)

   : 초당 발생하는 펄스의 수로 PRF를 증가시키면 에코 수신 시간이 감소하며, 연속파의 주파수와 같이 Hz 단위 사용

 출처 : ultrasonic physics

 - 펄스 반복 주기 (PRP) 

   : 한개의 펄스가 시작하고 다음 펄스가 발생될 때 까지의 시간.sec단위로 PRF와 반비례관계 

- 펄스 왕복시간 (pulse repetition time, PRT)

   : 펄스가 경계면에 도달해서 다시 되돌아오는데까지 걸리는 시간 

     T=2D/C (D: 반사체와 탐촉자 사이의 거리, C:음속)

- 펄스지속시간(pulse duration, PD)

  : 1개의 펄스가 발생하기 시작하여 끝날 때 까지의 시간, exposure와 같은 역할

     PD=nT(us) = n/f (n : 펄스 중의 사이클 수 , T : 주기)

- 공간펄스 길이(spatial pulse length, SPL)

  : 한 개의 초음파 펄스가 가지는 길이로, 축 방향 분해능과 밀접한 관련이 있음

    SPL = ㅅn(mm) = n*c/f (n ;펄스 중의 사이클 수, ㅅ:파장)

- 충격계수 (duty factor, DF)

  : 펄스가 주기적으로 반복될 때 실제로 펄스가 작동하고 있는 시간의 비

   DF=PD/PRP (PD : 펄스폭, PRP : 펄스 반복 주기)

2.초음파의파동모드에따른 분류  

 초음파에는 여러가지의 파동모드가 있는데, 전파 매체의 조건에 따라 계면에서 모드 변환이 일어납니다. 초음파 측정은 초음파 파동의 여러 가지 모드 측성을 이용하여 측정하기 때문에 X선 등에 비해 전파의 해석이 복잡해집니다.일반적으로 고체 내에서 관찰되는 초음파 모드에는 종파(longitudinal wave), 횡파(shear wave), 표면파(rayleigh wave), 편파(lamp wave), 횡파(shear wave) 등이 있습니다. 이 중, 종파와 횡파는 서로 독립적으로 존재할 수 있으나, 경계면에서는 일반적으로 종파와 횡파가 동시에 발생하고 조건에 따라서는 거의 상호 모드로 변환합니다. 초음파 탐촉자에서 수직입사된 펄스파는 종파의 형태를 가지나 매질의 경계에서 종파형태의 파동의 일부가 횡파로 반사되어 되돌아오게되는데 이때 걸리는 시간을 측정하면 횡파의 속도를 측정할 수 있습니다.

- 종파

 : 종파는 진행방향으로 밀(compression)한 부분과 소(rarefaction)한 부분으로 구성되기 때문에 압축파(compressive wave)라고도 불린다.종파는 입자의 진동방향이 파를 전달하는 입자의 진행방향과 일치하는 파를 말하며 고체뿐만 아니라 액체, 기체에서도 존재한다.

- 횡파

 : 파를 전달하는 입자가 파의 진행방향에 대해 수직하게 진행하는 파로 액체, 기체에서는 존재하지 않는다

   동일주파수에서 종파에 비해 파장이 짧아 작은 결함 검출에 유효하다.

- 표면파 

 : 매질 내에서 한 파장 정도의 깊이를 투과하여 표면으로 진행하는 파

- 판파

 : 전달특성이 밀도, 금속의 탄성특성과 구조, 두께 및 주파수에 영향을 받는다.

출처 : exploratorium : faultline

 

3. 초음파의 진행원리에 따른 분류 

 - 펄스 반사법 : 검사 대상체의 표면으로 초음파 펄스를 조사하여 결함에 의해 반사되는 초음파를 검출

 - 투과법 : 초음파의 투과 신호를 측정하여 검사 대상체 내부로 초음파를 집속시켜 에너지 손실차이를 초음파 음압으로 산출하는 기법

 - 공진법  

출처 : 세명검사기술 홈페이지 

 

4. 참고 링크

 

1) 펄스 초음파

- 펄스초음파의 특성 : 링크1

- 초음파 이론 강의 : 링크2

2) 수침법에서 횡파와 종파

- 수침 초음파 시험법 : 링크3

 

3) 초음파의 특성

- 초음파 영상의 원리 및 이해 : 링크4

- 초음파의 기본 물리와 허상 : 링크5