초음파(Ultrasonic)와 음향방출(Acoustic emission)

초음파(Ultrasonic)와 음향방출(Acoustic emission)-----------------------------

초음파는 보통 가청음파(2Hz~20kHz)의 대역을 벗어난 상위 전자파 이내의 영역(20kHz~수MHz)을 말하고 있다. 공기의 압력변화율에 기인한 공기기인 음파(Airborne)와 고체와 고체의 마찰에 기인한 고체기인 음파(Structure borne)으로 나눌 수 있으며 또한 초음파는 발생시키기도 하고 측정할 수도 있다. 흔히 사용되고 있는 비파괴(NDT)방법 중에서 초음파와 음향방출의 차이는 무엇일까? 왜 같은 초음파 대역을 사용하면서 구분하여 달리 표현하고 있는 것일까?.

Ultrasonic& Acoustic Emission

초음파는 산업용으로 대상체를 분리시키거나 빠르게 흔들어 주는 매개체로 사용할 수도 있지만 일반적으로 초음파를 발생하여 반사하여 오는 초음파를 읽어들임으로서 대상체의 형상이나 거리를 측정하는 용도로 사용된다. 또한 비파괴(Non Destructive Test)검사에 사용되기도 하는데 재료의 균열이나 어군탐지, SONA, 공간(기포,Cavity)의 확인방법에 방사능보다 비교적 안전한 방법으로 인식되고 있다. 이것을 Ultrasonic(초음파 탐상법, 균열확인법)이라고 한다.

반면에 Acoustic Emission(음향방출)은 대상물에서 발생하는 이상마찰음, 구조균열 등을 초음파를 이용하여 확인하는 방법을 말한다. Waveguide를 타고 표면을 전달하는 초음파와 Lamb파를 이용한 구조안전모니터링(SHM, Structural Health Monitoring)으로서 구조(압력탱크, 교량, 항공기, 건축물 및 기타 대형구조)의 안전성 모니터링기법에 활용된다. 또한 MHM(Machine Health Monitoring)의 예로서 베어링의 이상 마찰음(결함)이나 가스누출(Air Leakage)의 확인에도 활용된다.

다시 정리하면, 초음파는 신호초음파를 보내고 받으면서 구조의 형태 및 안전성을 확인하는 방법이고 음향방출은 발생초음파를 받으면서 구조의 안전성을 확인하는 방법이라고 할 수 있다.

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키워드	초음파, 음향방출, AE, Ultrasonic, NDT, 비파괴 검사, SHM, MHM

 

  

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진동계, 스펙트럼, 진동계측기, 설비진단기, 진동측정

 

 

초음파를 귀로 듣다 (기계, 코로나, 누출, 설비진단장비 Leak shooter)

초음파를 귀로 듣다 (기계, 코로나, 누출, 설비진단장비 Leak shooter)

초음파를 직접 듣거나 볼 수는 없다. 초음파는 인간이 들을 수 없는 영역(20KHz~)의 음을 지칭한다.  이 영역에서 발생한 음과 진동은 어차피 인간이 듣거나 들을 수 없기 때문에 진동, 음을 통칭하여 ‘초음파 (Ultrasound)’라 칭한다.  초음파는 베어링이나 기어의 충격, 마찰음, 전기의 코로나, 압축기체의 누설음, 기타 유체음으로 인해 무한하게 발생하여 설비관리자로 하여금 고장이 발생하고 있다는 신호를 계속 보내고 있다. 이 것을 공학적으로 활용하고 있는 분야가 Acoustic vibration monitoring (AVM) 또는 Acoustic Emission (AE)이다.

 

초음파의 가청변환음 들어보기

이 음들은 실제로는 초음파 음이 아니다.  왜냐하면 초음파는 인간이 들을 수 있는 음이 아니기 때문이라는 것을 이미 알고 있기 때문이다. 따라서 위의 음은 헤테로다인 기술을 이용하여 인간이 들을 수 없는 음으로 마치 들을 수 있는 것처럼 주파수대역을 옮겨 듣는 것일 뿐이다.

인간의 오감으로 구분하는 분석능력은 상상보다 훨씬 더 민감하며 정확하다. 비록 개나 고양이처럼 넓은 영역의 음을 듣지는 못하더라도 이렇듯 듣게 되는 음은 ‘두뇌’라는 컴퓨터에서 ‘무엇이 어떻게 달라서, 상태가 어떻다’라는 정도로 자동 분석하여 진단까지 내리게 된다.

 

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키워드	헤테로다인, 누출카메라, 초음파 카메라, 초음파 설비진단기, 가스누출 초음파

 

눈으로 보는 측정 그리고 과학 (계측과 기술 그 해결의 시작!)

 

 

 

 

눈으로 보는 측정 그리고 과학 (계측과 기술 그 해결의 시작!)

사람이 느끼고 있는 물리량의 크기는 센서와 계측기를 통해 이미 오감으로 확인할 수 있는 양으로 환산할 수 있음에도 불구하고 어디서? 누구를 통해? 알아야 할지를 몰라서 다시 어렵고 힘든 계측방법이나 원인파악 및 예상결과를 유추하는데 많은 노력을 기울이고 있는 것이 현실이다. 따라서 제지, 조선, 철강, 시멘트, 자동차, 전력, 석유화학, 화섬, 에너지, 철도, 건축기계설비에서 종사하시고 있는 여러분께 설비진단기술 (진동, 소음, 초음파, 열화상 등)을 보다 쉽게 분석하는 방법과 적용하기 위한 기술지원이 절실하다.

측정할 수 없으면 개선할 수 없다.

AST(에이에스티, www.astint.co.kr)는 설비진단관련 교육 및 자문 엔지니어링사로서 연구실을 뛰어넘어 실제로 현장의 업무 속에서 많이 사용되고 있는 진단 기술을 쉽고 이해하기 쉬운 실용이론으로 소개하고, 측정장비를 최적으로 추천하는데 그 목적을 가지고 있습니다.

설비보전부서, 공무, QC, 환경, 유틸리티, 정비부서 등에서 설비의 수명을 늘려 새로운 이익을 창출하고 계시는 여러분께 이미 수년 수 십 년간 경험을 통해 알게 된 기술과 흘린 땀을 눈으로 볼 수 있도록, 다른 사람에게 보여줄 수 있도록, 쉽게 알릴 수 있도록 도와드리겠습니다.

 

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회전기계설비진단의 진단기술별 특징

회전기계설비진단의 진단기술별 특징

기계가 아픈 상태의 그 위치와 원인을 알아내는 것은 사람의 건강 이상원인을 알아내는 것과 유사하므로 이러한 방법으로 결함을 찾아내는 방법을 설비진단이라고 한다. 청진기만 가지고 진단하던 한의학과는 최근의 건강의학은 많은 검사기술에 의존한다. 기계진단도 마찬가지이다. 진동진단기술에만 의존하던 진단기법은 다양성을 요구하며 초음파, 열화상, 전기분석 등 실제로 다양하게 사용되고 있다. 설비진단기술을 정리하여 본다.

설비진단기술의 종류 및 특징

종류	특징
초음파(Ultrasonic) AE	조기감지, 청취가능, 저속감지, 부속기능(누설감지)
진동(Vibration)	모든 신호를 포함하고 있는 광역진단기술, 전기결함취약, 저속측정취약, 측정시주의, 분석 후 판단에 전문가지식이 필요. 온라인모니터링과 상태모니터링에 필수적인 신호.
모터전류분석(MCSA; Current)	측정이 매우 쉽다. 분석은 어렵다. 일부 기계적 결함분석에 어려움
모터 자속 분석(Flux), 축전류분석(Shaft current)	조기발견, 축전류누설(모터분석)에 국한.
윤활분석(Lubrications)	마모, 수분, 오염상태를 분석, 비교적 조기발견, 측정과 분석이 복잡함, 온라인보다 간헐적인 상태진단에 적합.
열화상분석(Infrared thermography)	열분석, 전기장치분석가능, 고가의 장비, 육안분석으로 매우 쉬운 이해도, 오진(방사율 이해)가능성 있음.

아래의 그림은 Machine life bathtub curve 중 후반기를 표시하였는데, 그 위에 표시된 각 설비진단도구의 주요 활용 감지영역을 비교해 볼 수 있다.  진동은 거의 모든 결함신호를 검출할 수 있는 중요하고 최선의 기술이지만 조기 결함진단 측면에서, 그리고 정확성 측면에서 취약한 면이 있다. 이를 윤활이나 기타 전기결함분석 툴, 또는 초음파를 통해 기술을 보완할 수 있다.

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컴프레샤(압축기)의 공기누출(누설)과 초음파

컴프레샤(압축기)의 공기누출(누설)과 초음파

 

SYNERGYS TECK사의 Leak shooter는 압축기실에서 발생하는 누설감지에 탁월한 기능이 보고되고 있다. 컴프레샤의 공기누설은 공장에서 발생하는 낭비요소 중에서 가장 무시할 수 없는 부분이라고 할 수 있다. 보이지도 않고 냄새도 없고 잘 들리지도 않는 이 누설소음은 소위 "hissing" 음이라고 불린다.  결국 보이지 않는 것은 관심도 멀게 되어 자칫 예지보전활동영역에서 제외될 수 있는 가능성을 방지하기 위해서는 적절한 기술적인 보강이 이루어져야 한다. Leak shooter technology 는 소음이 심한 현장에서도 심플하게 누설감지를 함으로써, 컴프레샤실에서 흘러나오는 비용을 절감시킬 수 있다. (2^nd profit center).  또한, 진보된 디지털 필터링 테크닉으로 인간이 들을 수 없는 고주파 음향대역인 초음파를 가청주파수 대역으로 변환하여 헤드폰으로 그 음을 들을 수 있다.

 

공기누설(air leaks)은 ‘가청주파수대역’과 ‘초음파대역’을 모두 발생

가청주파수대역은 보통 산업현장의 소음인 130 decibels 정도에서는 들을 수도 없을 뿐만 아니라 다른 요소에 반사되거나 간접적인 특성을 갖기 때문에 오히려 무의미하다.

하지만 초음파는 다르다. 누설의 초음파 감지는 직접적이고 Leak shooter는 현장의 많은 소음으로부터 디지털 필터링을 거치기 때문에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

정규 PM(기간정비)을 통해 컴프레샤를 보수할 때 확인해 보면, 압축공기가 깨끗하지만은 않다는 것을 확인해 볼 수 있을 것이다. 즉, 파이프 스케일, 산화철, 다른 오염물질들이 발견되기도 하는데, 이러한 물질들이 반복적으로 설비시스템에 가해지게 되면 누설량이 커지거나 새로운 누설이 계속 발생하게 된다.  심지어는 압력이 떨어지면 작업이 불가능하다며 오히려 컴프레샤 압력을 높이다가 위험을 초래할 수도 있다. 따라서 누설위치와 양을 정확히 확인하여 근본적인 원인을 제거하는 것이 최선의 방법이다.

일반적으로 컴프레샤의 메인트넌스는 일년에 3~4번정도 정기적으로 완전히 점검하여 누설을 검사하는 것이 정상이다.

전세계적으로 이 컴프레샤들은 큰 대형모터에 의해서 기동하게 된다. 누설이 적다면 이 모터의 크기와 수량도 감소하게 될 것이고, 결국 에너지 절감에 직접적으로 관련이 있다. 전기적 소모량과 모터의 수명 등을 계산해 본다면 10 and 15%정도의 에너지 절감이 보고되고 있다.

 

결론적으로 초음파는 인간이 들을 수 없는 주파수대역(상위 20 kHz)에 존재한다. 시중에서 시판되고 있는 저렴한 초음파 측정기라고 불리는 것들은 기능측면에서 Leak shooter와는 완전히 다른 소음증폭기(noise amplifiers)라고 할 수 있다. 즉, 초음파를 감지할 수 있는 간단한 전기회로를 구성한 것이다. 그러나. 이것은 고도의 전문경험이 필요하며 ‘특정주파수대역’만을 감지하도록 구성하려면 추가비용이 발생하게 된다.

Leak shooter에는 세계적인 초음파 진단기의 축적된 초음파 탐지기술력이 내장되어 있다.

그러면, 산업환경의 고주파 노이즈와 컴프레샤의 누설음을 구별하는 가장 적합한 주파수는 무엇인가?  왜 40kHz 인가? 

누설공기는 넓은 광역 주파수대역을 발생시킨다. 일반적으로 누설음은 높은 주파수대역에서 더 높은 에너지를 발생시키게 된다. 그러나, 주파수 대역을 더 높게 할수록, 초음파와 관련 깊은 공기 전도성(conductive air)은 감소하게 된다. 만약 공기의 전도성(감쇠); conductivity (attenuation)과 함께 주파수 에너지(frequency energy)를 그래프에 같이 그려본다면 40 kHz 근처에서 두 선분이 만나는 것을 확인 할 수 있을 것이다. 그리고 Leak shooter는 이 주파수를 선택하고, 다른 성분을 필터링하는 작업, 즉, 다른 잡음으로부터의 방해를 최소화함과 동시에 원거리에서 발생하는 초음파의 감지를 최대화할 수 있는 잇점을 가지고 있다. 바로 이런 조합원리가 Leak shooter를 가장 효율적이고 가장 유명한 초음파 진단기로 만들고 있다.

 

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키워드	AE, 음향방출, 초음파감지기, 초음파 카메라, 초음파 설비진단기, 가스누출 초음파, 초음파의 원리, 공기누설, 공기누출, Leakage