비파괴 검사란? ( Nondestructive Testing )
물질이나 구조물의 상태를 평가하고 결함을 감지하기 위해 사용되는 검사 방법 중 하나로, 물질이나 제품을 손상시키지 않고도 내부 결함이나 불량을 식별할 수 있어, 제조, 건설, 운송 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
특히 저희 연구실에서 다루고 있는 설비 고장 진단 분야에서 많이 활용되는 검사 방법 입니다.
아래에서는 비파괴 검사 중 하나인 음향 방출 테스트 (Acoustic Emission Testing ) 를 다룹니다.
음향 방출 검사
음향방출검사(Acoustic Emission Testing, AET)는 물체나 구조물에서 발생하는 음향 신호를 분석하여 결함, 손상, 또는 변화를 감지하는 비파괴검사 방법 중 하나입니다. 이 기술은 구조물의 물리적 또는 화학적 변화로 인해 발생하는 음향 신호를 측정하고 해석하여 시스템의 건전성을 평가합니다.
( 일반적인 산업의 음향 방출 테스팅에서는 20 ~ 1200 kHZ의 주파수 범위를 사용합니다. )
음향 방출 검사의 한계
[1] 카이저 효과
카이저 효과는 음향 방출 검사 시스템에서 다뤄야하는 가장 큰 문제중 하나입니다. 발생원에서 받고 있는 하중 하에서 불연속에 의한 음향 방출을 발생시키면, 그 이후 음향 방출을 발생시키기 위해서는 불연속이 커지거나 더 높은 하중을 받아야 합니다.
즉, 불연속이 일어날 때의 이벤트 성 신호를 캐치하지 못한다면 발생원에 더 큰 데미지가 발생하여 이벤트가 일어날 때 까지 알기 어렵다는 의미로 순간의 신호를 잘 캐치하는 것이 관건입니다.
[2] 외부 노이즈의 취약함
음향 방출 신호는 말 그대로 음향 신호에 민감하게 반응하기 때문에 주변의 음향에 취약합니다. 거의 대부분의 상황에서 자연적인 주변 소음 ( 비, 바람 람, 차량) 뿐만 아니라 공장에서의 내부 소음도 상당히 크기 때문에 실제 설비의 신호에 큰 영향을 줍니다. 또한 실제 발생원에서 나온 소리의 감쇠 현상 또한 자주 문제가 되는 상황입니다.
음향 방출 현상
물질이 변형을 겪을 때 자발적으로 방출되는 탄성 에너지( elastic energy )를 나타냅니다.
기타 명칭 :stress wave emission, stress waves, microseism, microseismic activity, or rock noise.
Acoustic Emission Nondestructive Testing ( 음향 방출 비파괴 검사 )
AE 검사는 기계 장비에서 구조 무결성 및 고장 감지를 모니터링하기 위한 비파괴 방법입니다. AE 테스팅에서는 Structural Integrity 또는 Component Failure 등을 평가할 수 있습니다.
( Structural Integrity: 구조적 구성요소 또는 많은 구성요소로 구성된 구조물 중 하나로 구성된 품목이 과도하게 부서지거나 변형되지 않고 자체 중량을 포함한 하중 하에서 결합할 수 있는 능력 )
Acoustic Emission Nondestructive Testing ( 음향 방출 비파괴 검사 ) 의 이점
- 방사선, 초음파 검사와 달리 외적인 에너지가 필요하지 않음
- 동적인 방법론으로, 크랙의 진행을 추정할 수 있음
- 단일 테스트에서, 불연속성 평가에서 사용
- 테스트 동안, 중단 시간이 거의 없음
- containment system test에서 사용 가능함
Acoustic Emission Nondestructive Test Equipment
Process : Crack의 Shock wave 발생 → AE transducer → Signal Conditioning Unit → 데이터 저장
1. AE Transducer : AE 트렌지듀서는 기게적 움직임을 감지하여 전기적 신호로 변환함
2. 압전 센서 : 기계적인 에너지를 전기적인 신호로 변환하는데 사용되는 센서로 피에조전효과를 기반으로 작동
- 트렌지듀서를 선택할 때, 구동되는 주파수, 감도, 환경 및 물리적인 특성을 고려하여 선택해야함
3. 웨이브 가이드 : 전파를 전달하고 특정한 방향으로 유도하는데 사용되는 장치 ( 고온 환경에서 유용 )
4. 증폭기와 필터 : 음향 방출 신호의 주파수 스펙트럼에서 대상과 트랜스듀서 및 장치들의 공진 및 전송 특성에 영향을 받음
- 낮은 대역 주파수에 대한 한계점 : 백그라운드 노이즈에 치명적, 따라서 낮은 대역의 주파수에서의 감도와 신호 대 잡음 비율을 고려하여 적절한 증폭기 및 필터를 선택하는 것이 중요함
- 높은 대역 주파수에 대한 한계점 : 파동의 감쇠에 의해 치명적, 높은 대역의 주파수에서는 파동이 감쇠되는 한계점이 있음, 따라서 높은 주파수에서의 신호 감쇠와 간섭을 최소화하고 적절한 필터링이 필요함
- 일반적인 주파수 범위는 100kHz에서 300kHz: 음향방출 시험에서는 100kHz에서 300kHz 사이의 주파수 범위를 사용하나 필요에 따라 1 MHz를 초과하는 높은 주파수를 사용할 수도 있음
Acoustic Emission Nondestructive Test 의 한계점 [2]
- Leakage와 트랜지듀서의 거리가 증가함에 따라서 민감도가 감소함
- 서로 다른 파동의 전파 형식에 민감함 ( ex: 종파, 전단파, 표면파, 판파 등의 서로 다른 속도 )
- 주변의 백그라운드 노이즈에 취약함
- 음향 신호의 감쇄율이 높은 재질로 인한 민감도 감소
- Kasier Effect로 순간에 민감함 (비가역성) - 순간에 민감 !
- Unegan Corollary: 이전 최대 하중 이전에 음향방출이 관측되면, 새로운 손상이 발생했을 가능성이 있다.
- Felicity Effect: 나쁜 조건 아래에 ( 압력, 온도 ) 있을 때, 이전 최대 하중보다 낮은 하중에서도 음향방출이 관측될 수 있다.
Noise
데이터를 취득하는 데에 있어서 진동이나 음향 방출이나 순수한 데이터를 취득한다는 것은 거의 불가능에 가깝습니다.
노이즈는 플랜트의 작동, 기계의 작동, 주변 환경 등 어디서나 발생할 수 있기 때문에 이를 인지하고 데이터를 취득하고 분석하는 것이 중요합니다.
일반적으로 센서로부터 측정된 신호는 { 원본 신호 + 노이즈 } 를 항상 가지고 있습니다.
이 때, Peak 특징과 Peak-to-Peak 특징 값은 노이즈 임계치를 예방하는데 적합하다고 할 수 있습니다.
음향 방출 신호에서 노이즈의 타입은 크게 다음과 같습니다.
Hydraulic and Mechanical Noise
- 누출, 액체의 볼링, 캐비테이션 및 강유성 유체 흐름 등 : 누출로 인해 지속적으로 발생하는 높은 진폭의 소음을 방해합니다.
- 기계적인 요소가 구조물에서 동작하면서 발생하는 소음 : 모터, 베어링 등의 소음으로 AE의 음향 방출을 방해합니다.
• 기계소음의 특성 및 제거방법
- 상대적으로 낮은 주파수와 낮은 low-rise time (25μs)
1. 주파수 식별한다. (일반적인 노이즈 제거 방법)
2. Rise-Time discriminant method : Rise Time은 고주파 성분의 감쇠로 인해 소스-트랜스듀서 거리에 따라 증가합니다.
3. 신호 도착 시간 기반 방법 : 다채널 시스템을 사용할 경우 유용함
4. 마스터 슬레이브 테크닉.
• 마스터 트랜스듀서는 관심 영역 근처에 장착됩니다.
• 슬레이브 또는 가드 트랜스듀서는 마스터 트랜스듀서 주변에 장착됩니다.
• 가드 트랜스듀서가 신호를 감지하면, 히트는 관심 영역 밖에서 발생했습니다.
Noise During Welding
• 용접 시 접지 해제로 인한 소음으로 용접기의 극성 반전을 용이하게 하기 위해 일반적으로 접지되지 않음으로써 노이즈 문제를 악화시킵니다
• 소음을 제거하기 위해 구조물에 접지된 배터리 구동 음향 방출 시스템을 사용합니다.
Miscellaneous Noise
- 금속의 음향 방출
• 금속이 에칭 또는 산세와 같은 산과 접촉할 때의 음향 방출.
- 솔리드 스테이트 본딩에서 발생하는 소음
• 깨끗한 금속 표면과 접촉하면 solid-state bonding이 가능합니다
• 단단한 결합 때문에 응력이 변하면 응력파 형태의 노이즈를 발생시킵니다.
- 전자기 간섭
• 형광등, 전기모터 회로, 용접기 및 유도 부하가 있는 릴레이에 의한 전원 온/오프 등의 원인으로 간섭이 발생합니다.