12. 비파괴 검사 - 초음파 검사기(C-SAM)의 트랜스듀서 사양

비파괴검사의 트랜스듀서에는 고주파 압전 소자가 사용됩니다.

구성 요소들의 음향 임피던스, 면적 등에 따라 트랜스듀서의 특성이 결정되는데, 오늘은 이러한 트랜스듀서의 설계변수, 사양에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 중심 주파수(center frequency, resonant frequency)

압전 진동자에 교류를 인가하면 진동자가 매우 강하게 진동하는 특성주파수가 존재합니다. 이 주파수를 공진주파수라고 부르며 이는 압전체의 탄성 진동 주파수에 의해 결정됩니다. 탄성주파수는 진동자의 형상의 함수로 주어짐니다. 

압전 세라믹은 형상, 분극방향, 전계방향에 따라 여러 진동모드를 만들수 있으며, 각각의 진동 모드는 고유한 공진 주파수를 가집니다.

 

초음파 검사기 트랜스듀서는 일반적으로 압전 요소, 전극, backing material, matching layer 등으로 구성된다. 

앞선 포스팅에서 설명했듯이 matching layer 는 외부로 부터 압전체를 보호하고 초음파 에너지가 최적으로 대상체에 도달되도록 임피던스 매칭 층으로의 기능을 한다. 배킹재는 공진주파수를 제어하기 위해 압전소자의 뒷면에서 방사되는 에너지를 흡수하며, 외부로부터 난반사된 초음파를 제거하는 역할을 한다. 

전극은 압전체의 공진주파수에서 동작하는 교류, 직류 전원에 접속 된다.

결과적으로 압전소자는 구회로로부터 신호를 인가받아 기계적인 진동으로 변환시켜주는 역할을 하며, 이때 구동 주파수는 압전 재료의 공진 주파수가 아니라 조립된 구조체의 공진주파수로 인가되는데 이를 중심주파수라고 한다. 중심주파수는 구성요소들의 임향 임피던스에 더불어 트랜스듀서의 모양, 치수, 질량 등의 설계에 따라 진동 모드에 영향을 받는다. 

 

2. 축분해능 (axial resolution)과 측분해능(lateral resolution)

공간 분해능은 축방향 분해능과 측방향 분해능이 있으며 초음파 이미징에서 볼 수 있는 가장 작은 특징과 결함을 결정한다.

 

축 분해능은축 방향 분해능은 파장이 짧을 수록, 즉 주파수가 증가할 수록 좋아지며 일반적으로 수십 MHz는 수십 um 내의 축 방향 분해능을 갖게 된다. 이때 주파수가 높아질수록 감쇠가 커져 음파가 도달할 수 있는 거리가 짧아진다. 또한 회절 한계에 의해 사용되는 파장과 NA에 따라 분해능이 결정된다.

아래 식을 통해 축 분해능을 계산 가능하다

(λ: 액체 매질 내에서 초음파의 파장, NA : 음향렌즈의 개구수, f 의 주파수)

투과력과 축 분해능은 역비례관계이며, 일반적으로 투과력이 허용하는 한 최상의 주파수를 사용한다.

또한 고주파 초음파 송신을 위해서는 압전소자의 두께가 얇아져야 하기 때문에 트랜스듀서의 제작이 어려워진다.

 

측분해능은 음향 빔의 폭이 좁을수록 높아지는데, 음향렌즈가 결부된 단일 압전소자의 경우 음향렌즈의 곡률반경 등에 따라 결정된다.

초음파 빔은 focusiong 되는 곳에 모였다가 다시 퍼지며 포커싱 되는 부위에서 빔의 강도가 가장 강하다. 측분해능이 좋고 선명한 영상을 얻기 위해서는 검사체의 중심, 그 아로 아래에 초점위치를


맞추는 것이 중요하다. 

다수의 압전소자를 배열시켜 전자적으로 스캐닝 하는 방법은 압전소자 내 요소들의 기하학적인 배열구조에 따라 결정된다. 축분해능을 향상시키기 위해 주파수를 높였을때 파장이 짧아서 각 요소들의 수광각이 좁아지는 것을 방지하고자 요소들의 간격을 줄여 측분해능을 향상시키곤 한다. 

 

3. Gain

수신되는 초음파 신호 전체를 증폭시키는 기능으로 증폭의 양을 조절하여 영상의 전체적인 밝기를 결정한다. 

TGC는 영상의 깊이에 따라 증폭의 정도를 달리 조절하는 것으로 깊은 곳에서 돌아오는 신호는 감쇄로 인해 약해지므로 이를 상대적으로 더 증폭시켜 깊은 곳으곳의 밝기를 보정할 수 있다. 

 

4. 대역폭(Bandwidth)

대역폭은 중심주파수와 비대역폭의 곱에 의해 구해지는데, 트랜스듀서의 구조와 형상에 따라 비대역이 정해지므로 중심주파수가 높을수록 큰 대역폭을 갖는다. 

일정한 감쇠 하에서 음파의 전파거리는 시스템의 동적영역 (dynamic range) 에 따라 달라진다. 

동적 영역이란 초음파 검사기가 정상적으로 처리 가능한 음향 강도의 최소값과 최대값의 범위로 dB단위로 표기한다.

동적영역을 넓게 하면 영상이 부드러워지나 contrast가 줄어들어 미세한 에코차이를 나타내지 못한다. 동적영역을 좁게 하면 대조도의 차이가 증가하여 미세한 에코차이를 알 수 있기만 영상에 노이즈가 증가한다.

 

 

5. 초점거리(focal length)

초점거리는 분해능과 초점 범위가 최대 수준이 되는 투과 깊이를 말한다. 

일반적으로 트랜스듀서의 사용 주파수에 따른 침투깊이 및 초첨거리 범위는 정해서 있다. 

출처 : Scanning acoustic microscopy for material evaluation