In this study, the interaction of Lamb wave propagating thin tube structure with finite vertical discontinuity was studied using both modal decomposition method (MDM) and experimental method. For MDM, a global matrix formulation and orthogonality of Lamb mode was employed to describe the boundary condition of finite vertical discontinuity of the tube and the mode conversion phenomenon respectively. The final form of governing equation by MDM was a linear matrix equation which could be solved using a simple matrix identity. The calculation result showed that, below the cut-off frequency, reflection amplitudes of both A0 and S0 Lamb mode increase as the depth of discontinuity increased beyond the threshold value. An experimental investigation was performed using a Hertzian-contact transducer and steam-generator tubes to verify the calculation results by MDM. A0 Lamb mode was selected as a test signal considering the characteristics of the transducer and previous studies. The experiment for mode identification using half-sectioned tube verified that the Hertzian-contact transducer effectively generated A0 Lamb mode. Tests performed using steam-generator tubes with EDM (electric discharge machined) axial notches showed that the deeper notches produced the higher reflection echo. A0 Lamb mode interacted with the notch having a depth larger than 1/40 of wave length, or corresponding to 30% of the wall thickness. This finding was in good agreement with previous studies and the prediction by MDM. The experiment using real crack specimens to estimate the deviation of reflection amplitude showed that the reflection cross-section of real crack was very similar with that of EDM notch. Therefore, specimens with EDM notches can be used as reference blocks for Lamb wave UT calibration.
얇은 튜브 구조물의 원주방향을 진행하는 램파의 진행 특성 및 불연속부와의 상호작용에 대하여 연구하였다. 또한 이를 기반으로 한국형 표준 원전에 사용되고 있는 증기발생기의 전열관 재료에 대하여 램파를 이용한 원주방향 초음파 검사의 가능성을 타진하였다. 사용된 모드는 이미 잘 알려진 여러 연구결과를 참조하고, 점접촉 변환기의 특성에 의거, A0모드로 선택하였다. 사용된 탐촉자는 점접촉 변환기이다. A0 모드의 램파는 표면부근에 응력분포가 집중되고 S0 모드에 비하여 파장이 짧으므로 표면근처에 위치한 작은 결함을 검출하기 위해서는 A0 모드를 사용하는 것이 유리하다. 그러나 A0 모드의 속도는 웨지 재료로 사용되는 PMMA의 음파속도와 비슷하거나 작기 때문에 근본적인 방법의 특성상 A0 모드 발생에 사용되지 못하므로, 위의 방법을 채용하였다. 절개된 튜브 및 알루미늄 판을 이용하여 초음파 송수신 실험을 한 결과 원하는 모드가 발생함 을 알 수 있었다. 본 연구의 전반에 걸쳐서 사용된 모드합성법은 비교적 실험결과를 잘 반영하며 결함과 램파 사이의 상호작용에 대한 물리적 직관을 주는데 큰 의미를 둘 수 있다. 실제로 체적파의 경우 파장의 1/2이하 크기의 유효산란표면적(scattering cross section)을 가지는 결함은 에어리(Airy) 원리 및 호이겐스(Huygens)의 원리에 의거, 검출/구분하기 어렵다고 알려져 있다. 그러나 본 연구를 통해 실험한 결과, 판파의 경우, 파장의 1/40에 해당하는 결함도 검출할 수 있다. 이는 기존의 연구결과와도 잘 일치하며, 본 연구를 통해 논의된 모드합성법과 램파의 완전성과도 잘 부합한다. 모드 합성법을 이용한, 유한한 크기의 판에 대한 램파의 반사율을 계산한 결과로부터 모드변환을 고려하지 않는 동일 모드 송수신을 이용한 검사의 경우 A0 모드인 경우 1.5MHz mm, S0 모드인 경우에는 2.8MHz mm 이하가 되어야, 방법상 정당하다 할 수 있다. 이는 반대로, 모드 변환된 파의 수신을 통하여 좀 더 다양한 정보를 램파로부터 얻고자 하는 경우, 그 주파수는 제시된 주파수 이상의 영역을 포함해야 한다는 의미가 된다. 본 연구에서는 1.17MHz mm의 주파수를 이용하였고, 이는 설명한 조건에 충분히 부합한다. $Inconel^{\circled R}600HTMA 튜브에 깊이가 서로 다른 노치를 가공하여 램파를 송수신 한 결과를 통하여 모드합성법의 유용성을 실험적으로 확인 할 수 있었으며, 램파를 이용한 증기발생기 세관의 검사에 대한 가능성이 충분함을 입증하였다. 기 연구결과 및 모드분해법을 통하여 예측한바와 같이 노치의 깊이가 증가할수록 수신되는 음파의 진폭 또한 증가 하였으며 그 양상 또한 예측한바와 비교적 잘 일치한다. 실험결과를 볼 때 30%이하의 크기를 가지는 노치 또는 결함을 제시된 방법으로 검사하는 것은 유용하지 못함을 알 수 있다. 이 이하의 크기를 가지는 결함에 대하여 정량적인 검사를 수행하기 위해서는 더 높은 주파수의 음파를 송수신 해야하고, 이는 모드 변환을 피할 수 없기 때문이다. 실제결함과 EDM 시편사이의 반사율 차이를 평가하기 위하여, 실제결함이 삽입된 시편에 대하여 램파를 송수신하는 실험을 수행하였다. 시험결과 1.8dB 이내에서 무작위적인 편차를 보이며, 이는 TOF에 의한 결함 깊이 측정오류, 결함의 길이 편차, 초음파접촉 오류 등을 감안할 때 무시할만한 크기이다. 즉, EDM 시편은 실제결함을 검출하기위한 대비시편으로 사용될 수 있다.
