초음파탐상검사(UT)의 원리

초음파탐상검사(UT)의 원리 – 보이지 않는 결함을 소리로 찾아내다

비파괴검사(NDT, Non-Destructive Testing)의 대표적인 방법 중 하나인 초음파탐상검사(Ultrasonic Testing, UT)는 인체에 사용하는 초음파 진단기처럼, 금속이나 비금속 재료 내부를 검사할 수 있는 강력한 도구입니다. 특히 용접부, 주조품, 단조품 등 내부에 생길 수 있는 결함(기공, 균열, 슬래그 등)을 빠르고 정밀하게 찾아낼 수 있어 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 그렇다면 초음파탐상검사는 어떤 원리로 작동할까요?

초음파탐상검사의 기본 원리

초음파탐상검사의 핵심은 ‘고주파 음파’를 재료 내부에 보내고, 반사되어 돌아오는 신호를 분석하는 것입니다. 일반적으로 1MHz~10MHz 이상의 주파수를 가진 초음파를 사용하며, 이 초음파는 공기에서는 잘 전달되지 않기 때문에 검사체 표면에 ‘커플링제(젤, 오일, 물 등)’를 발라서 탐촉자와 재료 사이의 음향적 접촉을 보장합니다.

1. 초음파 발생과 수신
   UT에서 사용하는 ‘탐촉자(Probe 또는 Transducer)’는 피에조전기소자(Piezoelectric Element)를 이용해 전기 신호를 초음파로 변환하거나, 반대로 반사된 초음파를 다시 전기 신호로 바꾸는 역할을 합니다.
   전기 자극을 받은 탐촉자는 초음파를 발생시키고, 이 초음파는 검사체 내부로 진행합니다. 내부에 결함이 없다면 반사 없이 계속 진행되지만, 만약 내부에 밀도나 탄성 특성이 다른 물질(예: 기공, 균열, 슬래그 등)이 존재한다면 그 경계면에서 초음파가 반사되어 다시 탐촉자로 돌아옵니다.
2. 음파의 반사와 TOF(Time of Flight)
   초음파가 결함에 부딪혀 반사될 때, 그 반사된 파동은 처음 발생한 위치(탐촉자)로 되돌아옵니다. 이때 초음파가 왕복하는 데 걸리는 시간(TOF, Time of Flight)을 측정하면 결함까지의 거리를 계산할 수 있습니다.
   예를 들어, 초음파의 속도가 일정한 금속에서 TOF가 20μs라면, 거리 = 속도 × 시간 공식을 이용해 결함 위치를 정확하게 알 수 있습니다.
3. 결함의 종류와 신호의 해석
   UT에서는 반사된 초음파 신호(에코, Echo)를 스크린에 A-Scan(신호 강도를 시간에 따라 표시), B-Scan(단면 이미지), 또는 C-Scan(평면 이미지) 형태로 보여줍니다.
   반사 신호의 강도와 위치, 개수 등을 분석함으로써 결함의 크기, 깊이, 방향을 판단할 수 있으며, 숙련된 검사자는 신호 패턴만 보고도 어떤 종류의 결함인지 어느 정도 예측할 수 있습니다.

초음파의 진행 특성

초음파는 매질의 밀도와 탄성에 따라 속도가 달라지며, 진행 중 흡수와 산란으로 인해 감쇠가 발생할 수 있습니다. 일반적으로 금속에서는 약 5900m/s(종파 기준) 정도의 속도로 진행되며, 매질이 불균일하거나 표면이 거칠면 초음파가 손실되거나 왜곡되기도 합니다.

또한 초음파에는 **종파(Longitudinal Wave)**와 횡파(Transverse Wave), 그리고 표면파(Surface Wave) 등이 존재합니다. 일반적으로 가장 많이 사용하는 것은 종파이며, 두꺼운 소재나 특정 각도로의 결함 탐지를 위해서는 횡파 또는 표면파를 활용하기도 합니다.

검사 방식: 접촉식 vs 침적식, 단일 vs 다중 요소

초음파검사는 방식에 따라 다양하게 분류됩니다.

• 접촉식 검사(Contact Testing): 일반적으로 손으로 들고 탐촉자를 직접 검사체에 접촉시키며, 휴대성이 좋고 다양한 형태의 부품 검사에 적합합니다.
• 침적식 검사(Immersion Testing): 검사체와 탐촉자를 물속에 담가 검사하는 방식으로, 자동화에 적합하고 복잡한 형상에도 정밀한 검사가 가능합니다.
• 단일 요소(Single Element): 하나의 탐촉자에서 초음파를 송신하고 수신하는 구조.
• 위상 배열(Phased Array UT, PAUT): 여러 개의 탐촉자 소자를 배열하여 정밀한 각도 조절 및 이미지화가 가능, 최근 빠르게 보급 중입니다.

초음파탐상검사의 장점과 한계

장점

• 깊은 내부까지 결함 탐지가 가능
• 높은 감도와 정밀도
• 비접촉 또는 자동화 가능
• 즉각적인 검사 결과 확인 가능

한계

• 표면 결함은 잘 탐지되지 않음 (이 경우 침투탐상검사나 자분탐상검사 병행)
• 숙련자의 해석 능력이 중요
• 표면이 고르지 않거나 복잡한 형상에서는 적용이 어려움