초음파탐상검사의 핵심 이해②: 원거리 음장(Far Field)의 구조와 활용 전략

초음파탐상검사의 핵심 이해②: 원거리 음장(Far Field)의 구조와 활용 전략

초음파탐상검사는 소재 내부의 결함을 비파괴로 검사할 수 있는 대표적인 기술입니다. 지난 글에서는 초음파의 에너지가 탐촉자에서 방출된 직후 간섭이 심한 **근거리 음장(Near Field)**에 대해 알아봤습니다. 이번에는 그 이후 구간인 **원거리 음장(Far Field)**에 대해 집중적으로 살펴보겠습니다. 원거리 음장은 실질적인 결함 탐지에 있어 가장 중요한 검사 영역으로, 그 특성과 원리를 이해하는 것이 매우 중요합니다.

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원거리 음장이란?

**원거리 음장(Far Field)**은 초음파가 근거리 음장을 벗어난 이후의 구간으로, 일반적으로 Fraunhofer 영역이라고도 불립니다. 이 영역에서는 초음파가 직진성(Directional Beam)을 유지하며 비교적 안정된 음압 분포를 나타냅니다. 간섭 현상이 거의 없고, 음압이 거리에 따라 일정한 패턴으로 감소하는 것이 특징입니다.

탐촉자에서 방사된 초음파가 더 이상 간섭하지 않고, 하나의 방향성 있는 빔으로 수렴된 상태가 되면 이 영역에 진입한 것으로 볼 수 있습니다.

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원거리 음장의 특징

1. 음압의 안정성

근거리 음장에서는 진폭이 불규칙하게 변동하지만, 원거리 음장에서는 이러한 변동이 줄어들고 지수 함수적 감소를 따르는 일정한 패턴으로 감쇠합니다. 이로 인해 결함 신호의 해석이 상대적으로 수월해집니다.

2. 음향 빔의 형상 유지

원거리 음장에서는 초음파 빔이 일정한 각도(빔 스프레드)를 갖고 퍼지며, 중심 축을 기준으로 대칭적인 분포를 보입니다. 이는 결함의 크기와 위치에 따라 반사파의 진폭이 예측 가능하다는 의미로, 정량적인 평가에도 매우 유리합니다.

3. 검출 감도의 안정성

초음파의 세기(Amplitude)가 비교적 안정적이기 때문에, 작은 결함이라도 빔의 중심에 위치한다면 충분한 반사파가 생성되어 검출이 가능해집니다.

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원거리 음장의 길이와 조건

원거리 음장은 근거리 음장 길이(N)를 기준으로 그 이후 거리부터 시작됩니다. 다시 말해,

• 0 ~ N mm 구간은 근거리 음장,
• N mm 이상은 원거리 음장입니다.

근거리 음장 길이 계산 공식은 다음과 같죠:

N=D2⋅f4cN = \frac{D^2 \cdot f}{4c}N=4cD2⋅f​

• DDD: 탐촉자 유효 직경(mm)
• fff: 사용 주파수(MHz)
• ccc: 검사 재료 내 음속(mm/μs)

예를 들어, 직경 10mm의 5MHz 탐촉자를 사용할 경우 근거리 음장은 약 21.2mm이므로, 그 이후부터가 원거리 음장입니다.

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실무 적용 시 고려사항

1. 결함이 원거리 음장에 위치하도록 설계

검사 시 탐촉자의 위치나 각도를 조정해 검사 대상 결함이 가능한 한 원거리 음장 내에 위치하도록 합니다. 이 구간에서의 음압은 안정적이며 신호 해석이 용이하기 때문입니다.

2. 정량적 평가 가능

원거리 음장은 결함의 위치와 크기에 따른 반사파 강도가 비교적 일정한 관계를 가지므로, 결함의 크기를 추정하거나 비교하는 데 적합합니다. DAC(Distance Amplitude Correction), TCG(Time Corrected Gain) 보정곡선을 적용할 때도 이 영역에서의 데이터를 기준으로 설정합니다.

3. 빔 스프레드와 해상도 고려

원거리 음장에서는 음향 빔이 점차 퍼지는 특성을 보입니다. 이로 인해 검사 해상도는 다소 떨어질 수 있지만, 대신 넓은 면적에 대한 탐지가 가능해집니다. 결함이 빔의 중심부에서 벗어날 경우 신호 감쇄가 발생하므로, 이를 고려한 해석이 필요합니다.

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결론

원거리 음장은 초음파탐상검사에서 가장 이상적인 탐지 환경을 제공하는 구간입니다. 진폭이 안정적이고 반사파가 예측 가능하여, 결함의 크기 및 깊이를 정확히 판단할 수 있는 기반이 됩니다. 따라서 검사 설계 단계에서 결함이 이 영역에 위치하도록 설정하는 것이 중요하며, 정량적 평가 및 자동화 검사에도 필수적인 조건입니다.

앞으로 초음파탐상검사를 수행하면서 음장의 개념을 정확히 이해하고 활용한다면, 검사의 정확도와 신뢰도를 크게 높일 수 있습니다. 다음 글에서는 ‘음향 빔의 초점화(Focusing)’와 ‘해상도 향상 기법’에 대해 소개해드릴게요