초음파를 이용한 구조 진단 실험

목차

1. 실험목적 및 이론
2. 실험장치 및 방법
3. 실험결과
4. 결론
5. 고찰
6. 참고문헌

본문내용

필요하다. 신호 발생기와 신호를 제어해 주는 컴퓨터, 오실로스코프를 집합한 소프트웨어를 사용한다.
(2) 실험방법
1) 금속시편 두께 및 파동 속도 측정 실험
다음의 그림은 실험장비의 입력값을 설정하기 위한 프로그램이다. 이 장비는 입력 주파수를 결정할 수 있으며, 하이패스 필터와 로우패스 필터가 내장되어 있어 원하는 구간의 주파수를 선정해서 수신할 수 있다.
① 버니어캘리퍼스로 시편 두께를 측정한다.
② 고출력 신호발생기와 센서, 오실로스코프에 케이블을 연결한다.
③ 감쇠기의 감쇠값을 최대로 설정한다.
④ 컴퓨터 프로그램에서 입력 주파수와 샘플링 사이클 수를 정한다.
⑤ 커플런트를 시편과 센서의 접촉면에 사용한다.
⑥ 고출력 신호발생기를 켜고 측정된 신호를 오실로스코프로 확인한다.
⑦ 오실로스코프에서 확인된 신호의 시간 차이를 읽고 속도를 구한다.
⑧ 계산된 속도를 바탕으로 재질이 같은 임의의 시편의 두께를 측정한다.
⑨ 동일한 방식으로 다른 재질의 시편을 반복 실험한다.
2) 모니터 두께 측정 실험
① 장비 설정 후 모니터의 중앙에서부터 모서리 부분으로 이동하며 측정한다.
② 측정된 신호를 기록하여 두께를 계산한다.
3) B 스캔을 이용한 결함 측정 실험
① 장비에 전원을 연결하고 컴퓨터와 연결 후 프로그램을 실행한다.
② 입력 주파수와 게인값을 설정한다.
③ 하이패스 필터와 로우패스 필터를 설정한다.
④ 출력된 신호를 확인한 후 B 스캔 모드로 전환한다.
⑤ 측정하고자 하는 시편에 커플런트(couplant)를 바르고 측정을 시작한다.
⑥ 측정된 신호를 이용하여 B 스캔 모드에서 결함의 위치와 크기를 알아낸다.
3. 실험결과
(1) 금속시편 두께 및 파동 속도 측정 실험
① 인코넬 ()
초음파 전파 거리 :
초음파 전파 시간 :
초음파 전파 속도 :
② 철 ()
초음파 전파 거리 :
초음파 전파 시간 :
초음파 전파 속도 :
③ 구리 ()
초음파 전파 거리 :
초음파 전파 시간 :
초음파 전파 속도 :
[,, ]
인코넬
철
구리
재료의 두께, ()
0.0166
0.00445
0.0146
초음파 전파 시간, ()
초음파 전파 속도, ()
5969.9
6172.0
4697.6
밀도(density), ()
8890
7870
8930
탄성계수, ()
205
200
110
푸아송비,
0.307
0.291
0.343
종파 속도, ()
4200.4
4436.7
3028.5
횡파 속도, ()
5489.9
5727.8
4067.3
(2) 모니터 두께 측정 실험
측정위치
1
2
3
4
5
6
두께 ()
23
17
15
13
12
12
그래프 3은 주어진 프로그램에서 Material Speed를 5720m/s(유리)로 설정하고 모니터에 센서를 우측 상단에서부터 가운데까지 대략 6등분하여 두께를 여섯 번 측정하였다. 그리고 전파를 측정하고 대략적인 두께를 이용하여 Origin 8.0을 이용하여 plot한 후 이를 3차 Polynomial Fit하여 나타내어 보았다. 이를 통해 내부형상을 가늠할 수 있었고 그림판으로 간단히 그려 나타내었다.
(3) B 스캔을 이용한 결함 측정 실험
① B 스캔 결과
② 결함 시편의 형상 재현
4. 결론
본 실험은 초음파를 이용하여 구조를 진단해보는 실험이었다. 3가지의 시편에 초음파를 흘려 초음파의 속도를 구해보는 실험, 모니터 내부 두께를 초음파를 통해 측정하는 실험, 초음파로 특정 형상을 스캔하듯 내부 구조를 파악해보는 실험으로 구성되어 초음파의 기본적인 활용분야를 가늠해 볼 수 있었다.
첫 번째 실험에서 인터넷에서 찾은 세 시편의 물성치와 직접 측정한 시편들의 두께, 파동의 주기로 알 수 있는 주기시간을 각각 조합하여 초음파의 종횡파를 구해보았으며 결과는 표 와 같다. 종파 혹은 횡파 속도는 철, 인코넬, 구리의 순서로 나타났으며, 수식상 탄성계수, 밀도, 푸아송비의 함수이므로 전파 속도와는 비례관계가 없음을 알 수 있었다.
두 번째 실험은 모니터의 내부 두께를 일정거리마다 측정하여 내부 형상을 가늠해보았다. 모니터 가장자리에서 중앙으로 올수록 파동은 짧아져 모니터의 두께가 짧아지고 있음을 알 수 있었다. 그리하여 2.5Cm마다 6번씩 측정한 두께를 통해 그래프와 피팅, 그림을 그려본 결과 모니터의 내부는 모니터의 중심으로 갈수록 두께가 짧아짐을 알 수 있었고 중심의 두께는 대략 12mm였다.
세 번째 실험으로 두더지굴이랑 형상에 초음파를 흘려 내부 형상을 파악해보았다. 초음파를 흘림에 따라 운동방향에 따라 그림 와 같이 흔적이 남았으며 형상이 내부에서 끝나는 점이라 할때 이어진 흔적과 끊어진 흔적을 유추하여 두더지굴의 내부형상을 알 수 있었다. B스캔의 분석을 통해 그림 에 나의 두더지굴 내부에 대한 추측 형상을 이차원 그림으로 나타내었다.
5. 고찰
실험 내내 실험 장치를 들고 그래프를 읽었지 실험결과라고 가시적인 것을 본 것은 없었다. 바로 이번 실험은 보이지 않는 초음파란 것이 대상이기 때문이다. 첫 번째 실험에서 강하게 느꼈던 것은 바로 각 시편들에 흘렸던 초음파는 같은 발생장치로부터의 것이다. 하지만 계산된 각각의 초음파는 값이 틀렸다는 점에 주목한다. 바로 내부 구조 즉 시편의 특정 성질에 영향을 받는다는 것이다. 그래서 실험에서는 물성치와 시간 그리고 두께를 가지고 초음파의 속도를 측정하였다. 그리고 바꿔 생각하면 축적된 초음파를 가지고 모 시편을 높은 확률의 추측이 가능할 것이다. 아마 나의 지식이 짧아 이미 행해지는 것을 깨달은 것인지도 모르지만 초음파의 가치를 알 수 있다는 점에서 좋았다. 두 번째 세 번째 역시 같은 원리의 실험이지만 분야가 달라진다. 바로 직접 뜯지 않고도 우리는 그 어떤 형상의 내부를 들여다 볼 수 있다는 말이었다. 뉴스에나 많이 보아왔다. 초음파검사를 통해 임산부의 배속에서 아기가 꿈틀거리고 있는 것을 말이다. 초음파의 세계 무척이나 흥미롭다. 응용실험 막바지 실험이라 산만한 감도 없지 않았지만 초음파를 좀 더 알고 관심을 갖게 되었다는 점에서 유익한 실험이었다.
6. 참고문헌
- 기계공학실험교재편찬회, “기계공학응용실험,” pp. 67-79, 청문각, 2009.

키워드

초음파,   기계공학 응용실험,   구조진단