소리의 전파

음파의 음향 임피던스를 이해하기.

잠시 200년 전으로 시간을 거슬러 올라가 보겠습니다. 존 윌리엄 스트럿 경, 제3대 레일리 남작 (1842~1919)은 영국의 물리학자로, 아르곤 원소를 공동 발견했으며, 이 발견으로 1904년 노벨상을 수상했습니다.

하지만 레일리는 양자 물리학, 광학, 음향 이론 분야에서도 중요한 업적과 공헌으로 널리 알려져 있었습니다. 1879년에 캐번디시 실험 물리학 교수로 임명된 그는 그보다 2년 전인 1877년에 첫 논문을 발표했습니다. 이 새로운 이론은 소리가 다양한 매질을 통해 어떻게 전달되고 방출되는지를 명확히 밝혀주었다. 그는 늘어난 줄, 종, 금속판, 막 등을 참고하고 실험하여 수학적 모델과 실험 결과에 대한 논의를 통해 소리 파동이 다양한 매질을 통해 어떻게 전달되는지를 보여줄 뿐만 아니라 증명했습니다.

제3대 레일리 남작 존 윌리엄 스트럿 경

레일리는 자신의 저서에서 "매우 간략한 관찰만으로도 소리를 내는 물체가 진동 상태에 있으며 소리와 진동 현상이 밀접하게 연관되어 있음을 알 수 있는 경우가 많다"고 언급했다. 또한, "진동하는 종이나 현을 손가락으로 건드리면 진동이 멈추는 순간 소리도 멈춥니다. 하지만 청각에 영향을 미치려면 진동하는 악기만으로는 충분하지 않습니다. 악기와 귀 사이에 끊임없는 소통이 있어야 합니다."

초음파는 무엇에 의해 발생하나요?

많은 것들이 초음파를 발생시키며, CBM 분석가의 임무는 데이터와 음파를 수집하기 전에 작업할 지역에서 어떤 초음파 방출이 발생하는지 파악하는 것입니다 .

초음파 방출은 크게 마찰, 충격, 난류, 환경, 인위적이라는 다섯 가지 범주로 나눌 수 있으며, 이를 FITEM 이라고도 합니다. 마찰, 충격, 난류는 유체/전기/기계적 문제와 직접적인 관련이 있는 경우가 많으므로 탐지 대상이 됩니다. 반면, 환경 및 인위적 초음파 방출은 탐지 대상의 주파수와 상충되는 "상반된" 특성을 가집니다.

• 마찰력: 마찰력은 두 표면이 서로 미끄러지거나, 서로 굴러가거나, 물체가 기체나 액체 속을 움직일 때 등 다양한 방식으로 발생할 수 있습니다.

• 영향 요인: 표면들이 서로 충돌하면서 발생하는 고주파수, 짧은 시간의 에너지 폭발.

• 난류: 기체나 액체가 다양한 표면과 상호작용할 때만 발생하는 현상입니다.

• 환경적 요인: 초음파는 말벌집이나 박쥐 서식지와 같은 산업 환경에서도 자연적으로 발생하는 경우가 드물지 않습니다.

• 인공물: 동작 센서, 해충 퇴치기, 산업용 세척제, 디스플레이 패널, 모니터 등 많은 인공물들이 본래 기능을 수행하는 과정에서 초음파를 방출할 수 있습니다.

초음파 검사관으로서 중요한 것은 음파가 전달되는 매질의 진동이라는 점입니다 . 따라서 해당 매질은 탄성이 있어야 에너지를 전달할 수 있으며, 검사 도구/모듈과의 간섭이 없어야 합니다.

역제곱 법칙

음원으로부터의 거리가 두 배가 될 때마다 음압은 6dB씩 감소합니다. 이 사실은 초음파를 감지할 때 매우 중요한데, 음원과의 거리가 측정값에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 음원에서 1피트 떨어진 곳에서 음압 손실이 없다고 가정할 때, 2피트 떨어진 곳에서는 6dB, 30피트 떨어진 곳에서는 32dB의 손실이 발생합니다.

이제 우리는 기체 환경에서 음향 에너지가 거리에 따라 어떻게 감쇠되는지, 그리고 대기의 영향이 음파가 해당 매질을 통과하는 방식에 어떻게 영향을 미치는지 자세히 알고 있습니다. 그러나 역제곱 법칙(및 위의 관련 측정값)은 소리가 다른 외부 요인의 영향을 받지 않는 "자유 공간"에서 전달된다고 가정합니다. 현실 세계에서는 항상 그런 것은 아닙니다. 아래에서 가장 일반적인 6가지 음향 에너지 임피던스를 살펴보세요.

음향 임피던스 - 공기

• 전송: 초음파는 대기라는 매질을 통해 전달됩니다. 기체 대기에서는 소리가 고체나 액체 매질에서보다 느린 속도로 전달된다는 점을 고려해야 합니다 . 예를 들어, 기차는 수 마일 떨어진 곳에서도 기찻길에 귀를 대면 들릴 수 있습니다( 고체 - 밀도가 매우 높은 입자 ). 고래는 수 마일 떨어진 물속에서도 거의 지연 없이 서로 의사소통할 수 있습니다( 액체 - 밀도가 중간 정도인 입자 ). 천둥소리는 번개가 친 후 몇 초가 지나서야 들릴 때도 있습니다( 기체 - 밀도가 낮은 입자). 이 모든 것은 소리 전달입니다.

• 반사: 초음파는 음파가 평평한 표면에 부딪혀 반사될 때 발생합니다. 반사 지점(입사각이라고도 함)을 원래 초음파 발생원으로 오인하는 경우가 종종 있습니다. 예를 들어, 초음파 탐지기를 사용하여 초음파 방출 지점을 찾아냈지만, 해당 위치에 초음파 발생원이 없는 경우, 원래 초음파가 반사된 지점을 찾은 것일 수 있습니다.

• 굴절: 반사와 유사하게, 굴절은 음파가 한 매질을 통과하여 다른 매질로 이동할 때 발생하는 현상입니다. 반사가 고체 표면에서 일어나는 것과 달리, 굴절은 일반적으로 액체(음파 에너지가 통과할 수 있는 물질 상태)에서 발생합니다. 굴절된 음파는 새로운 매질의 탄성률과 밀도(굴절률이라고도 함)의 영향을 받게 됩니다. 스넬의 법칙을 이용하면 새로운 매질을 통과하는 음파의 속도와 원래 매질을 통과할 때의 속도 차이를 계산할 수 있습니다.

• 회절: 음파가 공간을 휘어지거나, 공간을 통과하며 퍼지거나 좁아지면서 진행 방향이 바뀌는 현상입니다. 회절은 음파가 매우 작은 틈을 통과할 때 자주 발생합니다. 모퉁이 너머에서 누군가 말하는 소리가 들리는 것도 회절의 흔한 예인데, 음파가 공간을 휘어지면서 듣는 사람의 귀에 도달하기 때문입니다.

• 흡음: 음향 흡음이란 매질이 수신된 음향 에너지의 일부를 흡수하는 능력을 말합니다 . 폼이나 유리섬유와 같은 고체 다공성 물질은 흡음재의 대표적인 예입니다. 흡수된 음파의 일부는 완전히 새로운 형태의 에너지(보통 열)로 변환되어 물질 밖으로 방출됩니다. 흡수되지 않은 나머지 음파는 반사 됩니다 .

• 산란: 음파가 특히 거친 표면과 상호 작용하여 에너지가 감소된 여러 개의 새로운 음파로 분산되는 현상입니다. 이렇게 생성된 음파는 방향과 진폭을 예측할 수 없으므로 초음파 탐지 시 산란을 극복하는 것은 어려운 과제입니다.

음향 임피던스 - 밀도의 영향:

위에서 언급한 요인들 외에도, 매질을 통해 전달되는 기계적(음파) 파동의 실제 속도는 그 매질의 온도, 탄성률 및 밀도에 정비례합니다. 매질마다 흡수 및 재방출 특성으로 인해 지연 시간이 다르게 나타납니다.

물질의 온도 가 높고 밀도가 높을 수록 원자들이 더 촘촘하게 모여 소리가 그 매질을 통해 더 빠르게 전달됩니다. 이것이 바로 소리와 같은 역학적 파동이 우주 공간에서는 전혀 존재할 수 없는 이유입니다. 역학적 파동은 전달될 물리적 매질을 필요로 합니다. 우주는 진공 상태로, 원자들이 너무 멀리 떨어져 있어 소리가 전파될 수 없습니다. 아래에서 다양한 물질의 소리 속도를 확인하세요.

음파 전파에서 초음파 누출 탐지까지

외부 및 환경적 요인과 임피던스에 대해 더 자세히 알아보았으니, 이제 초음파 탐지 시 활용해야 할 몇 가지 일반적인 팁과 모범 사례를 살펴보겠습니다. 초음파 문제가 흔히 발생하는 산업 현장은 소음이 심하고 혼란스러우며, 음향 스펙트럼 전반에 걸친 다양한 음파로 가득 차 있습니다. 이러한 환경에서 방해가 되는 초음파와 여러 소음을 효과적으로 차단하고 정확한 데이터를 수집하는 방법을 아는 것이 중요합니다.

1. 탐지 과정을 시작하기 전에 방의 음향을 측정하여 공간에 대한 초기 이해를 높이고 초음파 이상 징후의 대략적인 위치를 파악하십시오.

2. 압축 공기 누출이 발생했을 경우, 누출 원인을 파악하는 데 도움이 되는 몇 가지 일반적인 팁이 있습니다.

   1. 시스템에 압력이 완전히 가해졌는지 확인하십시오.

   2. 압축기에서 나오는 배관의 흐름을 따라가세요.

   3. 관련 밸브가 모두 열려 있는지 확인하십시오.

3. PROSARIS OL2 Puck을 사용하여 소스 위치를 중앙 집중화하는 경우 다음 모범 사례를 구현하는 것이 중요합니다.

   1. 음원과의 물리적 거리를 줄이세요. 음원의 위치가 좁혀지기 시작하면, 더 정확한 위치를 얻기 위해 가까이 이동하는 것이 당연한 다음 단계입니다. 하지만 6피트(약 1.8미터) 이내로 접근한 후에는 태블릿의 PROSARIS 앱에서 거리 슬라이더를 조정하는 것을 잊지 마세요. 이렇게 하면 다양한 기록 계산이 정확하게 이루어집니다.

   2. 누출 지점 주변의 모든 방향을 살펴보십시오. 근처에 다른 누출 지점이 있을 수 있습니다. 여러 누출 지점이 있다는 것을 확인할 수 있을 만큼 가까이 접근하지 않으면 이러한 누출 지점을 주요 누출 지점으로 오인할 수 있습니다.

4. 누출 지점을 정확히 찾아내는 데 어려움이 있다면(다른 누출 때문이든, 일반적인 방해 초음파 때문이든), 차폐 기법을 사용해 보세요. 가장 간단한 방법은 목표 소스와 원치 않는 다른 초음파 방출원 사이에 위치하는 것입니다.

   1. 급할 때는 판지나 클립보드를 사용하여 남아있는 유해한 초음파 발생원을 일시적으로 차단할 수도 있습니다.

   2. 누수 부위에 걸레를 덮어두면 주변 소음을 줄이는 데 도움이 됩니다. 특히 낮은 곳에서 발생하는 누수의 경우, 이렇게 하면 누수 차단이 더 쉬워집니다.

초음파 탐지 작업을 성공적으로 수행하는 데 있어 가장 중요한 요소 중 하나는 바로 지식입니다. 소리의 과학적 원리를 이해하면 어떤 기술, 전략, 도구가 작업에 가장 적합한지 판단하는 데 큰 도움이 됩니다.