초음파탐상검사에서 사용하는 파형(Wave)의 종류와 차이점 총정리

초음파탐상검사에서 사용하는 파형(Wave)의 종류와 차이점 총정리

초음파탐상검사(UT, Ultrasonic Testing)는 내부 결함을 검출하기 위해 초고주파의 음파를 재료 내부에 전파시키고, 그 반응을 분석하는 대표적인 비파괴검사 기법입니다. 여기서 핵심이 되는 것이 바로 **초음파의 파형(Wave type)**입니다.

초음파는 하나의 형태로만 전달되지 않습니다. 전달 경로와 매질, 입사 조건에 따라 다양한 형태의 파형으로 변하며, 각 파형은 전파 속도, 감쇠 특성, 결함 반응 방식에서 뚜렷한 차이를 보입니다. 검사 목적과 대상에 따라 적절한 파형을 선택해야만 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

이번 포스팅에서는 종파(Longitudinal Wave), 횡파(Transverse Wave), 표면파(Surface/Rayleigh Wave), 판파(Lamb Wave), 굴절파(Shear Head Wave) 등 초음파 탐상검사에서 사용되는 주요 파형들의 특징과 차이점을 쉽고 명확하게 정리해드리겠습니다.

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1. 종파 (Longitudinal Wave)

정의

종파는 입자의 진동 방향이 파의 진행 방향과 일치하는 파형입니다. 물리적으로는 압축과 팽창이 번갈아 전파되는 형태로, 일반적인 액체나 기체 매질에서 전달 가능한 유일한 초음파 형태이기도 합니다.

특징

• 전파 속도: 가장 빠름 (철강 기준 약 5900 m/s)
• 주로 사용 위치: 두께 측정, 내부 결함 탐지
• 진입 방향: 직각으로 입사하여 재료 내부로 직진

장점

• 깊은 내부까지 도달 가능
• 파형 해석이 비교적 쉬움
• 속도와 진폭이 안정적

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2. 횡파 (Transverse or Shear Wave)

정의

횡파는 입자의 진동 방향이 파의 진행 방향과 수직인 파형입니다. 고체에서만 전파되며, 결함 방향에 따라 더 민감하게 반응하는 특성이 있습니다.

특징

• 전파 속도: 종파보다 느림 (철강 기준 약 3250 m/s)
• 주로 사용 위치: 용접부 검사, 비스듬한 결함 탐지
• 사용 방식: 굴절각도 이용해 경사 입사

장점

• 수직 또는 경사 결함에 민감
• 입사각 조정으로 다양한 탐상 가능
• 반사 신호 해석에 유리

주의

• 액체나 기체에서는 전파 불가
• 강한 감쇠 특성으로 원거리 전달은 어려움

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3. 표면파 (Surface Wave / Rayleigh Wave)

정의

표면파는 초음파가 재료의 표면을 따라 진행하는 파로, 입자의 움직임이 타원 궤적을 그리며 표면을 따라 이동합니다.

특징

• 전파 속도: 종파보다 약 90% 느림
• 전파 범위: 표면에서 약 1~2 파장 깊이
• 적용 위치: 재료 표면에 가까운 결함(크랙, 스크래치 등)

장점

• 도장, 코팅이 없는 금속 표면의 미세 결함에 민감
• 탈착이 어려운 구조물의 외관 결함 검사 가능

단점

• 내부 결함에는 효과 없음
• 표면 조도나 오염도에 영향 받음

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4. 판파 (Lamb Wave)

정의

판파는 얇고 평평한 판재에서만 발생하며, 재료 전체 두께를 따라 공명하는 파입니다. 주로 고정밀 구조물이나 넓은 면적 검사에 사용됩니다.

특징

• 두께와 주파수에 따라 다양한 모드(Symmetrical, Asymmetrical) 존재
• 전파 거리: 매우 김 (수 m ~ 수십 m까지 가능)
• 주로 사용 위치: 항공기 동체, 복합재료 검사

장점

• 넓은 면적을 빠르게 검사 가능
• 복잡한 형상이나 곡면 검사에 유리
• 부착형 센서로 자동화 용이

단점

• 신호 해석이 어려움 (여러 모드 혼합)
• 높은 기술적 이해 필요

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5. 굴절파 (Head Wave or Mode Converted Wave)

정의

초음파가 재료 경계면에서 특정 각도로 입사하면서 굴절 또는 모드 변환되어 생성되는 파입니다. 일반적으로 횡파로 전환되어 **사선 탐상(Shear Wave UT)**에 많이 쓰입니다.

특징

• 결함 위치에 따라 모드 변환이 발생
• 사용 위치: 주로 용접부 검사, 루트 크랙 탐지
• 45°, 60°, 70° 등 다양한 각도로 적용 가능

장점

• 수직 결함뿐 아니라 사선 크랙도 탐지 가능
• 다양한 각도 조합으로 복합 결함 검출 가능

단점

• 입사각, 경계면 상태에 따라 신호 왜곡 가능
• 기초 파악 없이 쓰면 오탐 확률 높음

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파형별 비교표

구분종파횡파표면파판파굴절파

매질	고체, 액체, 기체	고체	고체 표면	얇은 판	고체
속도	매우 빠름	중간	느림	느림	다양함
적용 위치	내부 전체	경사 결함	표면 결함	넓은 판재	용접부 등 복잡 형상
전파 거리	깊숙함	짧음	짧음	김	중간
장점	단순, 정확	방향성 탐지	표면 민감	면적 검사 탁월	복합 탐상 가능
단점	수직 결함 한정	감쇠 심함	표면 상태 민감	해석 어려움	정밀 설정 필요

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마무리하며

초음파 탐상검사에서 어떤 파형을 사용할지는 검사 대상, 목적, 결함 위치에 따라 달라집니다.

• 깊은 내부 결함 검사에는 종파
• 경사면이나 용접부 결함에는 횡파
• 표면 크랙은 표면파
• 대면적 고정밀 구조물에는 판파
• 복합 결함 추적에는 굴절파가 각각 적합합니다.

검사의 정확도와 신뢰성을 높이려면 단순히 장비를 운용하는 것보다, 파형의 특성에 대한 이해가 선행되어야 합니다. 초보 검사원부터 숙련된 NDT 기술자까지 반드시 알아두어야 할 핵심 지식이죠.

이 포스팅이 여러분의 검사 설계와 교육 자료에 도움이 되셨길 바랍니다. 더 궁금한 점이 있다면 댓글이나 메시지로 질문 주세요!