음압투과율이란?

 

---

음압투과율이란?

비파괴 검사에서 알아야 할 또 하나의 핵심 지표

비파괴 검사(NDT)를 진행하면서 종종 "음압투과율"이라는 단어를 듣게 됩니다.
하지만 초음파 검사(UT)나 위상 배열 초음파 검사(PAUT)를 배우면서도 음압투과율에 대해 깊이 있게 다루는 경우는 드뭅니다.

그렇다면,
음압투과율이란 무엇이며, 왜 비파괴 검사에서 중요한 지표가 되는 걸까요?
오늘 이 글에서는 음압투과율의 개념부터 검사 적용 시 고려해야 할 점까지 꼼꼼히 살펴보겠습니다.

---

음압투과율(음향 투과율, Acoustic Transmission Coefficient)이란?

**음압투과율(Acoustic Transmission Coefficient)**은

초음파가 두 매질(재질) 사이의 경계면을 통과할 때, 입사한 초음파 에너지 중 얼마만큼이 통과했는지를 나타내는 비율입니다.

쉽게 말해, 초음파 빔이 어떤 재료를 만났을 때

• 얼마는 통과하고
• 얼마는 반사(또는 산란)되는지 이 비율을 수치화한 것이 바로 음압투과율입니다.

공식으로 표현하면,
T=PtPiT = \frac{P_t}{P_i}T=Pi​Pt​​
여기서

• TTT = 음압투과율
• PtP_tPt​ = 투과된 초음파 압력
• PiP_iPi​ = 입사한 초음파 압력

100%에 가까울수록 초음파가 거의 그대로 통과했다는 의미고,
낮을수록 많은 에너지가 경계면에서 반사되었다는 뜻입니다.

---

음압투과율은 왜 중요한가?

비파괴 검사에서는 초음파를 사용해 재료 내부 결함을 찾아야 합니다.
그런데 초음파가 경계면을 잘 통과하지 못하면?

• 초점이 흐려지고
• 신호가 약해지며
• 작은 결함을 놓치게 될 가능성이 커집니다.

특히 다음과 같은 경우 음압투과율이 검사 성능을 크게 좌우합니다.

1. 이종재료 검사
   • 예를 들어, 금속과 플라스틱이 접합된 부품을 검사할 때.
   • 서로 다른 재료는 음향 임피던스 차이가 커서 초음파의 대부분이 반사될 수 있습니다.
2. 코팅층 검사
   • 페인트, 절연체 등 얇은 코팅층이 있는 경우.
   • 초음파가 코팅을 지나 내부 결함까지 도달해야 하므로 투과율이 높아야 정확한 검사 가능.
3. 접합부 검사
   • 용접, 접착 부위에서 내부 결함(기공, 크랙 등)을 찾기 위해서는 충분한 초음파 투과가 필수입니다.

---

음압투과율에 영향을 주는 요소

음압투과율은 주로 다음 두 가지에 의해 결정됩니다.

1. 음향 임피던스(Acoustic Impedance)

음향 임피던스란,

재료가 초음파에 대해 가지는 '저항'입니다.
계산식은 다음과 같습니다.

Z=ρ×cZ = \rho \times cZ=ρ×c

여기서

• ZZZ = 음향 임피던스 (kg/m²·s)
• ρ\rhoρ = 재료의 밀도 (kg/m³)
• ccc = 재료 내 초음파 속도 (m/s)

두 재료의 음향 임피던스 차이가 크면 클수록, 초음파는 경계면에서 더 많이 반사되고, 투과율은 낮아집니다.

예시

• 금속(임피던스 높음)과 공기(임피던스 매우 낮음) 사이: 거의 99% 반사
• 비슷한 금속끼리(예: 철과 니켈): 높은 투과율

2. 입사각

초음파가 경계면에 수직으로 입사할 때와 비스듬히 입사할 때,

• 투과율은 달라집니다.
• 특히 임계각을 넘어가면 '전반사'가 일어나 초음파가 경계면을 전혀 통과하지 못할 수도 있습니다.

결론: 초음파를 최대한 수직으로 보내는 것이 투과율을 높이는 방법입니다.

---

음압투과율과 반사율의 관계

재미있는 사실 하나!
음압투과율과 반사율은 서로 밀접한 관계를 가집니다.

초음파가 경계면에 부딪힐 때:

• 일부는 반사되고(반사율 RRR),
• 일부는 투과됩니다(투과율 TTT).

이때 에너지 보존 법칙에 따라,

R+T=1R + T = 1R+T=1

(단, 에너지 손실이 없는 이상적인 경우)

즉, 반사율이 높으면 투과율은 낮고,
투과율이 높으면 반사율은 낮습니다.

---

비파괴 검사에서 음압투과율을 높이는 방법

1. 매질 선택
   • 검사 시 커플런트(초음파 젤) 사용은 필수입니다.
   • 커플런트는 초음파가 공기층 없이 부드럽게 재료로 들어가게 도와줍니다.
2. 프로브 각도 조정
   • 가능하면 수직 입사를 유도해 투과율을 높입니다.
3. 재료 맞춤 세팅
   • 이종재료 검사 시, 주파수와 파형을 최적화해 음압투과율을 보정합니다.
4. 적절한 주파수 사용
   • 고주파 초음파는 더 정밀하지만 감쇠가 심합니다.
   • 재료 특성에 맞는 주파수 선택이 중요합니다.

---

결론

음압투과율은 비파괴 초음파 검사 품질을 좌우하는 숨은 열쇠입니다.
특히 복합재료, 이종재료, 얇은 코팅층이 있는 구조물 검사에서는
초음파가 얼마나 잘 투과하는지에 따라 검사 결과의 신뢰도가 크게 달라집니다.

음향 임피던스 차이, 입사각, 주파수 설정 등을 꼼꼼히 고려하고,
적절한 커플런트를 사용하는 작은 습관들이
결국 큰 검사 품질 차이를 만들어냅니다.

앞으로 초음파 검사 세팅할 때,
"이 경계면의 음압투과율은 얼마나 될까?"
한 번쯤 고민해보는 습관을 들여보세요.
그게 바로 프로페셔널 비파괴 검사 전문가로 가는 지름길입니다.