Introduction to Phased Array Ultrasonic Testing

많은 사람들에게 익숙한 초음파 영상은 의료 분야에서 널리 응용되며 고주파수 음파를 사용하여 내부 장기의 단면 사진을 매우 세부적으로 담아내고 있습니다.의료용 초음파 진단기는 일반적으로 위상 배열로 알려진 특수 다소자식 탐촉자, 그리고 함께 제공되는 하드웨어와 소프트웨어로 구성됩니다.하지만, 초음파 위상 배열 기술의 응용은 의료 진단으로만 한정되지 않습니다.위상 배열 시스템은 또한 용접 검사, 접합 시험, 두께 분포분석 및 사용 중 균열 탐상을 비롯한 일반적인 비파괴 초음파 탐상검사에서 새로운 수준의 정보와 시각화를 제공하기 위해 산업 환경에서도 사용됩니다.계속 읽어 위상 배열 NDT 검사와 기존 초음파 시험의 차이점을 알아보십시오.

1.위상 배열 초음파란?

기존의 NDT용 초음파 탐촉자는 일반적으로 고주파수 음파를 생성하고 수신하는 단일 능동 소자 또는 송신 및 수신용의 2개의 쌍 소자로 구성됩니다.반면, 위상 배열 프로브는 보통 각각 개별적으로 펄스를 생성할 수 있는 16개에서 최대 256개의 작은 개별 소자를 포함하는 탐촉자 어셈블리로 구성됩니다.프로브는 스트립(선형 배열), 링(환형 배열), 원형 매트릭스(원형 배열), 또는 더 복잡한 형상으로 배열될 수 있습니다.

기존 탐촉자의 경우와 마찬가지로, 위상 배열 프로브는 웨지가 포함된 각도 빔 어셈블리의 일부로 직접 접촉식 사용을 위해 설계되거나, 수로를 통해 사운드 커플링과 함께 수침식 사용을 위해 설계될 수 있습니다.탐촉자의 주파수 범위는 일반적으로 2MHz~10MHz입니다.위상 배열 시스템은 또한 다소자식 프로브를 구동하고, 반환 에코를 수신 및 디지털화하며, 다양한 표준 형식으로 에코 정보를 표시할 수 있는 정교한 컴퓨터 기반의 기기를 포함합니다.기존 결함 탐상기와 달리, 위상 배열 시스템은 다양한 굴절 각도 또는 선형 경로를 따라 사운드 빔을 스위프하거나 다양한 여러 깊이에 동적으로 집속할 수 있습니다.이러한 이유로 위상 배열 시스템은 검사 환경의 유연성과 성능을 모두 향상시킬 수 있습니다.

일반적인 위상 배열 프로브 어셈블리

일반적인 다소자 구성

2.위상 배열 시스템 의 작동 원리

가장 기본적인 의미에서, 위상 배열 시스템에는 위상의 파동 물리학 원리가 적용됩니다.사운드 빔을 조정하고 형성하는 예측 가능한 방식으로 에너지를 추가하거나 취소하기 위해 배열의 각 소자에 의해 생성된 개별 파면이 서로 결합함으로써 일련의 발신 초음파 펄스 사이의 시간을 변화시키는 것입니다.

이는 개별 프로브 소자를 약간 다른 시간에 펄스하여 수행할 수 있습니다.흔히 소자는 유효 감도를 개선하기 위해 구경을 증가시켜 4~32개의 그룹으로 펄스를 생성합니다. 이를 통해 원치 않는 빔 확산을 줄이고 더욱 선명하게 집속할 수 있습니다.집속 법칙 계산기로 알려진 소프트웨어는 프로브와 웨지 특성뿐만 아니라 시험 재료의 형상 및 음향 특성을 고려하여 원하는 빔 형상을 생성하기 위해 각 소자 그룹을 점화하기 위한 특정 지연 시간을 설정합니다.그러고 나면 기기의 작동 소프트웨어에서 선택한 프로그래밍된 펄스 생성 시퀀스가 시험 재료에서 여러 개의 개별 파면을 실행합니다.이러한 파면은 시험 재료를 통과하면서 균열, 불연속부, 뒷벽 및 기존 초음파 파동과 같은 기타 재료 경계를 반사하는 단일 1차 파면에 구조적으로 그리고 파괴적으로 결합됩니다.빔은 단일 프로브 어셈블리가 다양한 원근법에 걸쳐 시험 재료를 검사할 수 있는 방식으로 여러 각도, 집속 거리 및 집속점의 크기를 통해 동적으로 조정될 수 있습니다.이런 빔의 조정은 빠르게 진행되므로 여러 각도 또는 여러 집속 깊이에서의 스캔을 순식간에 수행할 수 있습니다.

반환 에코는 다양한 소자 또는 소자 그룹에 의해 수신되며, 변화하는 웨지 지연을 보상하는 데 필요한 시간 이동 후 합산됩니다.해당 영역에 부딪히는 모든 빔 구성 요소의 영향을 병합하는 기존 단일 소자 탐촉자와 달리, 위상 배열 탐촉자는 각 소자의 도착 시간과 진폭에 따라 반환 파면을 공간적으로 분류할 수 있습니다.기기 소프트웨어에 의해 처리될 때, 반환된 각 집속 법칙은 빔의 특정 각도 구성 요소, 선형 경로를 따르는 특정 지점 또는 특정 집속 깊이에서의 반사를 나타냅니다.그러면 에코 정보가 여러 다양한 형식으로 표시될 수 있습니다.

가변 지연으로 플랫 프로브에 의해 생성된 경사각 빔의 예

집속 선형 스캔 빔의 예

3.이미지의 모양

대부분의 일반적인 결함 탐상 및 두께 측정 분야에서, 초음파 탐상검사 데이터는 처리된 RF 파형에서 파생된 시간 및 진폭 정보를 기반으로 합니다.이러한 파형과 파형에서 추출된 정보는 일반적으로 A 스캔, B 스캔, C 스캔 또는 S 스캔의 4가지 형식 중 하나 이상으로 표시됩니다.이 섹션에서는 기존 결함 탐상기와 위상 배열 시스템의 몇 가지 이미지 표현을 보여줍니다.

4.A 스캔 표시

A 스캔은 기존의 초음파 결함 탐상기 및 파형 표시 두께 측정기에서 일반적으로 제공하는 것처럼, 초음파 신호의 시간과 진폭을 보여주는 단순 RF 파형 표현입니다.A 스캔 파형은 시험편의 한 사운드 빔의 위치에서 발생하는 반사를 나타냅니다.아래의 결함 탐상기 A 스캔은 강철 대비 시험편의 두 측면 드릴 구멍에서 발생하는 에코를 보여줍니다.일반적인 단소자 접촉식 탐촉자에서 발생하는 원주형 사운드 빔은 3개의 구멍 중 2개를 탐지하고 구멍의 깊이에 비례하는 다른 시간에 2개의 뚜렷한 반사를 생성합니다.

일반화된 빔 분포	수직 빔 A 스캔 이미지

기존의 결함 탐상기와 함께 사용되는 단소자식 각도 빔 탐촉자는 하나의 각도 경로를 따라 빔을 생성합니다.빔 확산 효과로 인해 빔 직경은 거리에 비례하여 증가하지만, 기존 각도 빔의 적용 영역 또는 시야는 기본적으로 여전히 하나의 각도 경로로 제한됩니다.아래 예를 보면, 하나의 고정 위치에서 45도 웨지는 시험편에서 빔 내에 있는 측면 드릴 구멍 2개를 감지할 수 있지만, 탐촉자를 앞으로 이동하지 않고는 세 번째 구멍을 감지할 수 없습니다.

일반화된 빔 분포	각도 빔 A 스캔 이미지

위상 배열 시스템은 참조를 위해 유사한 A 스캔 파형을 표시하지만, 대부분의 경우 아래에 보이는 것처럼 B 스캔, C 스캔 또는 S 스캔으로 보완됩니다.이러한 표준 영상 형식은 작업자가 시험편에서 결함의 유형과 위치를 시각화하는 데 도움을 줍니다.

5.B 스캔 표시

B 스캔은 시험편의 수직 슬라이스를 통해 단면 분포를 보여주는 이미지로, 선형 위치에 대한 반사체의 깊이를 표시합니다.B 스캔 영상의 경우 관련 데이터를 저장하는 동시에 기계적 또는 전자적으로 시험편의 선택 축을 따라 사운드 빔을 스캔해야 합니다.아래 사례에서 B 스캔은 시험편의 측면 드릴 구멍 위치에 해당하는 2개의 깊은 반사체와 1개의 얕은 반사체를 보여줍니다.기존의 결함 탐상기에서는 탐촉자를 시험편 전체에 걸쳐 측면으로 이동해야 합니다.

일반화된 빔 분포	구멍의 상대적인 깊이를 보여주는 일반적인 B 스캔 이미지

한편, 위상 배열 시스템은 선형 배열 프로브의 길이를 따라 전자적 스캔을 사용하여 탐촉자를 이동하지 않고 단면 분포를 유사하게 생성할 수 있습니다.

선형 배열의 길이에 걸쳐 상대 구멍 위치와 깊이를 보여주는 전자 선형 스캔(B 스캔) 이미지

6.C 스캔 표시

C 스캔은 시험편의 상면도 또는 평면도로 표시되는 데이터의 2차원 표현으로, 그래픽 원근에서 X선 이미지와 유사합니다. 여기서 색상은 x-y 위치에 매핑된 시험편의 각 지점에서의 게이트 신호 진폭을 나타냅니다.기존 기기에서는 단소자식 탐촉자를 시험편에서 x-y 래스터 스캔 패턴으로 이동해야 합니다.위상 배열 시스템의 경우 일반적으로 프로브는 한 축을 따라 물리적으로 이동하는 반면, 빔은 다른 축을 따라 전자적으로 스캔합니다.인코딩되지 않은 수동 스캔 역시 많은 경우에서 유용한 정보를 제공할 수 있지만, 해당 부분에 대한 스캔 이미지의 정확한 형상학적 대응을 유지해야 할 때는 일반적으로 인코더가 사용됩니다.

다음에 나오는 이미지는 집속형 수침 탐촉자가 포함된 기존의 수침 스캔 시스템 및 인코딩된 휴대형 스캔기와 선형 배열을 사용하는 휴대용 위상 배열 시스템을 사용해 만들어진 대비 시험편의 C 스캔을 보여줍니다.그래픽 해상도가 완전히 동일하지는 않지만 다른 고려 사항이 있습니다.위상 배열 시스템은 현장 휴대가 가능하며(기존 시스템은 불가) 가격이 약 1/3 수준입니다.또한, 위상 배열 이미지는 몇 초 만에 만들어졌지만, 기존의 수침 스캔은 몇 분이 걸렸습니다.

일반화된 빔 분포 및 이동 방향	구멍 위치를 보여주는 기존의 C 스캔 이미지

일반화된 빔 분포 및 이동 방향	구멍 위치를 보여주는 위상 배열 C 스캔 이미지

7.S 스캔 표시

S 스캔, 즉 부채꼴 스캔 이미지는 시간 지연 및 굴절 각도와 관련하여 표시된 일련의 A 스캔에서 파생된 2차원 단면도를 나타냅니다.가로축은 시험편의 너비, 세로축은 깊이에 해당합니다.이는 의료용 초음파 진단기와 산업용 위상 배열 이미지의 가장 일반적인 형식입니다.사운드 빔은 일련의 각도를 스위프하여 대략 원추형의 단면 이미지를 생성합니다.이 예에서, 위상 배열 프로브는 빔을 스위프하여 단일 탐촉자 위치에서 3개의 구멍을 모두 매핑할 수 있다는 점에 주목해야 합니다.

단일 각도 구성 요소의 A 스캔(왼쪽), 복합 부채꼴 스캔(오른쪽).49도를 표시하는 커서를 통해 표시된 A 스캔의 각도 위치 식별 가능.

위상 배열 시스템의 응용 분야

초음파 위상 배열 시스템은 기존의 초음파 결함 탐상기가 일반적으로 사용되어왔던 거의 모든 시험에서 사용될 수 있습니다.용접 검사 및 균열 탐상은 가장 중요한 응용 분야이며, 이러한 시험은 항공우주, 발전, 석유화학, 금속 빌릿 및 관형 용품 공급업체, 파이프라인 건설 및 유지 보수, 구조 금속 및 일반 제조를 비롯해 광범위한 산업에 걸쳐 수행됩니다.또한 위상 배열은 부식 조사 응용 분야에서 남아 있는 벽 두께를 분포분석하는 데 효과적으로 사용할 수 있습니다.

기존의 UT와 비교할 때 위상 배열 기술의 장점은 단일 탐촉자 어셈블리로 여러 소자를 사용해 빔을 조정, 집속 및 스캔할 수 있다는 것입니다.일반적으로 부채꼴 스캐닝이라고 하는 빔 조정은 구성소자에 대한 적절한 각도의 매핑에 사용할 수 있습니다.이 경우 형상이 복잡한 구성 요소의 검사를 크게 간소화할 수 있습니다.탐촉자의 작은 크기와 프로브를 이동하지 않고도 빔을 스위프할 수 있는 기능 또한 기계적 스캔으로 접근할 수 없는 상황에서 해당 구성 요소를 검사하는 데 도움이 됩니다.부채꼴 스캔은 일반적으로 용접 검사에도 사용됩니다.단일 프로브에서 다중 각도로 용접을 검사할 수 있는 기능 덕분에 이상 징후의 탐상 확률이 크게 증가됩니다.전자 집속을 통해 예상되는 결함 위치에서 빔 형상과 크기를 최적화할 수 있으므로 탐상 확률 역시 더욱 최적화됩니다.또한 여러 깊이에 집속할 수 있는 기능 덕분에 체적 검사에 대한 심각한 결함의 크기를 조정하는 기능이 개선됩니다.집속 기능은 까다로운 응용 분야에서 신호 대 잡음비를 크게 개선할 수 있고, 많은 소자 그룹에서 전자식 스캔을 사용해 매우 빠르게 C 스캔 이미지를 생성할 수 있습니다.

위상 배열 기술 및 기기에 대한 추가 정보는 Evident를 통해 확인하실 수 있습니다.자세한 내용은 당사에 문의하십시오.