[초음파비파괴검사기사 필기] 21년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

화씨온도를 섭씨온도로 변환하는 기본 공식은 $°C = \frac{5}{9}(°F - 32)$이다. 이는 물의 빙점이 화씨 32°F, 섭씨 0℃이고, 끓는점이 화씨 212°F, 섭씨 100℃라는 정의에서 유도되며, 온도 구간의 비는 180°F = 100℃이므로 1℃ = 1.8°F 또는 1°F = 5/9℃에 해당한다. 따라서 정답은 $°C = \frac{5}{9}(°F - 32)$ 형태의 식이다.

레이저가 필요한 비파괴검사법은 스펙클 간섭법(Speckle interferometry)이다. 스펙클 간섭법은 레이저 광을 피검사체 표면에 조사하여 반사된 스펙클 무늬의 간섭 패턴 변화를 측정하는 방식으로, 미세한 변형·진동·응력을 고감도로 검출하는 광학적 측정 기법이다. 입체 방사선투과검사는 X선을 이용하고, 자속누설검사는 자기장을 이용하며, 광섬유 보아 스코프는 가시광선을 전달하는 광섬유만 필요하므로 레이저가 불필요하다.

Cr은 탄화물을 안정시키는 원소라서 흑연화를 방해한다. 반대로 Si, Ni, Co는 흑연화를 촉진하는 원소이다.

마그네슘(Mg)의 융점은 약 650℃로, 선택지 1의 1107℃는 철의 융점에 가깝다. Mg은 비강도(강도 대비 밀도)가 우수하여 항공우주 재료로 사용되며(2번 참), 감쇠능이 크므로 진동·소음 제어용 구조재로도 적합하다(3번 참). 또한 Mg 합금은 상온~100℃ 범위에서 열팽창이 작아 치수 안정성이 우수하다(4번 참). 따라서 융점 수치를 크게 잘못 제시한 1번이 틀린 설명이다.

강 중의 잔류 오스테나이트(retained austenite)는 냉각 후에도 남아있는 고온 오스테나이트 조직으로, 이를 마텐자이트로 변태시키려면 서브제로(cryogenic) 처리를 적용해야 한다. 서브제로 처리는 강을 상온 이하(보통 −70~−196°C)로 냉각하여 잔류 오스테나이트의 변태 온도를 낮추고 마텐자이트 변태를 완성시킨다.
템퍼링은 마텐자이트를 회복·연화시키는 처리이다.
마템퍼링은 마텐자이트 변태 중단을 목표로 하므로 잔류 오스테나이트 제거와는 무관하다.
오스템퍼링은 베이나이트 생성을 목표로 하므로 잔류 오스테나이트 제거와는 무관하다.

알루미늄의 일반적 성질을 검토하면, Cu(구리)는 알루미늄의 도전율을 저하시키는 불순물이다. 알루미늄 합금에 Cu를 첨가하면 강도는 증가하지만 전기·열 전도율은 오히려 감소한다. 반면 1번 가공성, 2번 가볍고 우수한 내식성, 3번 순도가 높을수록 연질이 되는 특성은 모두 알루미늄의 실제 성질이다.

피복제는 용접봉의 표면을 감싸는 물질로서 아크 안정화, 용착금속 보호, 합금원소 첨가 등의 역할을 하며, 동시에 슬래그를 형성하여 용착금속의 냉각속도를 느리게(완만하게) 하는 특성이 있다. 피복제가 형성하는 슬래그는 단열 역할을 하므로 냉각을 지연시켜 기계적 성질을 개선하는데, 냉각속도를 빠르게 한다는 선택지 3번은 피복제의 실제 역할과 반대되므로 정답이다.

아크를 중단시키면 용접풀이 급격히 냉각되면서 중단 부분에 오목하거나 움푹 파진 모양이 생기는데, 이를 크레이터(crater)라고 한다. 크레이터는 아크 종료 시 용접풀의 표면장력과 냉각 속도로 인해 발생하는 결함으로, 강도 저하와 균열의 원인이 된다. 기공은 용접금속 내부의 기체 포함물, 엔드 탭은 용접 후 제거하는 별도의 보조 비드, 선상조직은 미세조직의 방향성을 의미하므로 모두 아크 중단 시 발생하는 오목한 파임과는 무관하다.

용접 입열은 $Q = \frac{V \times I \times 60}{v}$ 공식으로 구한다. 여기서 V는 아크전압(V), I는 아크전류(A), v는 용접속도(cm/min)이고, 60을 곱하는 이유는 전류의 단위를 초 단위로 변환하기 위함이다. 주어진 값을 대입하면 $Q = \frac{20 \times 150 \times 60}{15} = \frac{180000}{15} = 12000$ Joule/cm이다.

근거리음장거리(near field distance) $X_0$ 이상의 원거리음장(far field)에서 초음파 음압은 거리에 반비례하는 특성을 보인다. 이 영역에서 음압 분포는 구면파 전파 특성을 따르며, 음압 진폭은 진동자의 단면적(또는 방사면적)에 비례하고 파장과 거리의 곱에 반비례한다.
즉 $P \propto \frac{S}{\lambda \cdot r}$ 형태이다(S: 진동자 단면적, λ: 파장, r: 거리).
파장의 제곱에 비례한다는 설명은 파장의 제곱이라는 잘못된 지수를 제시한다.
파장에 비례한다는 설명은 파장에 비례한다는 오류를 제시한다.
진동자의 직경에 비례하고 파장과 거리의 제곱에 반비례한다는 설명은 직경·거리의 제곱 등 잘못된 의존성을 제시한다.

결정립 크기(d)와 파장(λ)의 관계에 따라 산란은 세 가지로 나뉜다. d ≪ λ이면 Rayleigh 산란, d ≈ λ이면 Stochastic(확률) 산란, d ≫ λ이면 확산 산란이다. 따라서 결정립 크기와 파장이 거의 같을 때는 Stochastic 산란이 발생한다.

근거리 음장(near field) 한계거리는 $N = \frac{D^2 f}{4c}$ 공식으로 표현되며, 여기서 D는 진동자 직경, f는 주파수, c는 음속이다. 한계거리를 가장 작게 하려면 분자의 D²과 f를 최소화해야 하므로 진동자의 직경을 작게 하고 주파수를 낮게 해야 한다. 직경을 줄이면 D²에 의해 제곱으로 감소 효과가 발생하고, 주파수를 낮추면 f가 직접 감소하여 한계거리가 최소화된다.

입사각이 제2임계각을 초과하면 종파와 횡파 모두 전반사되어 매질 2 내에는 굴절파가 존재하지 않는다.
제2임계각은 횡파의 굴절각이 90°가 되는 입사각으로, 스넬의 법칙에서 $\sin\theta_c = \frac{v_1}{v_2}(v_2:$ 횡파 속도$)$로 정의된다. 입사각이 제2임계각보다 크면 횡파는 전반사되어 매질 2로 진입하지 못한다.
동시에 종파는 더 큰 임계각(제1임계각, $\sin\theta_{c1} = \frac{v_1}{v_L}$, $v_L:$ 종파 속도)을 가지므로, 제2임계각 > 제1임계각이라는 관계에서 종파도 전반사된다.

입자 크기가 파장의 0.01배인 경우 입자가 매우 미소하여 초음파가 거의 간섭을 받지 않고 투과되므로 산란의 영향이 가장 적고, 측정 정확도가 가장 높다.
초음파 산란은 입자 크기와 파장의 상대적 크기에 따라 결정되며, 입자가 파장보다 훨씬 작을수록 산란의 영향이 감소한다. 이는 Rayleigh 산란 원리에 따른 것으로, 산란 강도는 입자 크기의 6제곱에 비례하므로 입자가 작아질수록 급격히 감소한다.
따라서 초음파를 이용한 입도 분석이나 혼탁도 측정에서는 입자 크기가 파장에 비해 충분히 작은 범위에서 가장 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다.

접촉매질(couplant)의 역할은 탐촉자와 피검체 사이의 음향임피던스 차이를 최소화하여 음파 손실을 줄이고 전달 효율을 높이는 것이다. 4번 보기는 "차이를 크게 하여"라고 설명하고 있는데, 이는 정반대다. 1번의 글리세린, 물, 기름, 그리스 등은 실제 사용되는 표준 접촉매질들이고, 2번과 3번은 모두 접촉매질이 피검체 및 탐촉자와 화학반응을 일으키지 않아야 한다는 올바른 조건이다.

물거리를 늘리면 탐촉자에서 피검사체 표면까지의 거리가 증가하여 상대적으로 근거리 음장 범위 밖에서 검사를 시작할 수 있으므로 실질적으로 근거리 음장의 영향을 줄일 수 있다.
근거리 음장(near zone)의 길이는 N = D²f/4c (D: 탐촉자 직경, f: 주파수, c: 음속)로 표현되며, 근거리 음장을 줄이려면 이 값을 작게 해야 한다.
주파수를 높이면 N이 증가하므로 역효과이다.
직경이 큰 탐촉자를 사용하면 N이 증가한다.
물거리를 줄이는 것은 음장의 길이 자체를 감소시키지 않는다.

수침법(수직입사 탐상)에서 결함 지시 없이 부분적으로 저면에코가 낮아지는 현상은 음파의 감쇠나 산란이 아닌 음파의 방향성 손실을 의미한다. 탐상면에 경사진 균열은 음파가 법선에서 벗어난 각도로 입사·반사되어 수신기로 돌아오는 음파 강도가 약해지므로 결함 지시 없이도 저면에코만 선택적으로 감소시킬 수 있다.
조대한 결정립은 산란으로 인한 에코 증가와 노이즈를 유발하므로 부적절하다.
작은 가늘고 긴 결함은 수직 입사에서 감지되기 어렵지만 명확한 결함 지시를 보여야 한다.
큰 비금속 개재물은 강한 반사 에코를 유발하므로 저면에코 감소의 주원인이 되지 않는다.

수직탐상에서 초음파 빔의 지향각(beam angle)으로 인해 음파가 저면에 도달하기 전에 시험체의 옆면(측벽)에 먼저 닿으면, 그 접촉점에서 반사가 발생한다. 이렇게 측벽에서 반사된 음파는 원래의 진행 방향을 벗어나 다른 경로로 전파되며, 이 과정에서 음파의 진행 모드(Mode)가 종파(P파)에서 횡파(S파)로 변환되거나 다른 모드로 변화할 수 있다.
중복 전면 반사·중복 저면 반사는 음파가 이미 저면에 도달했을 때 발생하는 현상이므로 해당되지 않는다.
전면 반사 지시가 감소할 수는 있지만 측벽 반사 자체로 인한 직접적인 결과가 아니다.

판파(plate wave)의 속도는 분산성(dispersion)을 가지므로 주파수에 따라 달라지며, 판두께도 중요한 인자다. 판파는 레일리파나 러브파 같은 표면파와 달리 판두께와 주파수의 곱(두께-주파수 곱, thickness-frequency product)에 따라 전파 특성이 결정되는데, 이는 비분산 모드와 분산 모드의 존재를 만든다.
주파수만으로는 속도를 결정할 수 없고, 판두께라는 물리적 경계 조건이 함께 작용해야 하므로 정답은 판두께 및 주파수다.

진행 방향과 매질의 진동방식이 평행한 파는 종파이다. 종파는 매질의 입자가 파의 진행 방향과 같은 방향으로 진동하는 파를 말하며, 초음파를 포함한 음파가 이에 해당한다. 반면 횡파는 진행 방향에 수직인 방향으로 진동하고, 표면파는 표면에서 타원형으로 진동하며, 판파는 특정 결정면을 따라 전파되는 탄성파로 모두 조건에 맞지 않는다.

판파만이 경계 조건의 특성으로 인해 대칭과 비대칭 모드를 모두 가지고 있다.
판파(plate wave)는 두께가 있는 고체 판에서 전파되는 탄성파로, 판의 양쪽 표면이 경계면을 이루고 있어 그 경계 조건에 따라 다양한 전파 모드가 발생한다. 이 모드들은 대칭(symmetric) 모드와 비대칭(antisymmetric) 모드로 구분되는데, 대칭 모드는 판의 중심선에 대해 위아래가 같은 방식으로 진동하고 비대칭 모드는 반대 방향으로 진동한다.
종파는 무한 매질에서 정의되는 기본 파동 유형이며 대칭·비대칭 분류가 없다.
횡파는 무한 매질에서 정의되는 기본 파동 유형이며 대칭·비대칭 분류가 없다.
표면파는 표면에서만 전파되므로 판 내부의 양쪽 표면 조건을 동시에 만족하지 않는다.

깊이는 실측굴절각으로 계산하며, 빔진행거리의 수직성분은 $W\cos\theta = 55\times\cos68^\circ \approx 55\times0.375 \approx 20.6\,\text{mm}$이다. 이 값이 판두께 15mm보다 크므로 바닥면에서 한 번 반사된 2회 반사(1스킵 이후) 경로이다. 따라서 깊이는 $d = 2t - W\cos\theta = 30 - 20.6 \approx 9.4\,\text{mm}$이다.

철강과 공기 경계에서만 임피던스 차이가 극대화되므로 음압반사율이 가장 크다.
음압반사율은 $R = \left|\frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1}\right|$로 정의되며, 여기서 Z는 음향임피던스(Z = ρ × v, 밀도 × 음속)다. 반사율이 크려면 두 매질의 임피던스 차이가 커야 한다. 각 보기의 임피던스를 비교하면 다음과 같다.
철강(약 46 MRayl) vs 공기(약 0.0004 MRayl)의 차이가 약 115,000배로 압도적으로 크다.
철강(46) vs 물(1.5)은 약 31배다.
알루미늄(17) vs 기름(1.4)은 약 12배다.
글리세린(2.4) vs 물(1.5)은 약 1.6배다.

펄스에크 방식 초음파탐상장비에서 펄서(pulser)는 탐촉자에 고전압의 전기펄스를 인가하여 압전소자를 진동시킴으로써 초음파를 발생시키는 핵심 부품이다. 수신기는 반사파를 받아 전기신호로 변환하고, 증폭기는 신호를 확대하며, 동기장치는 펄서·수신기·표시장치 간 타이밍을 조절하는 역할을 하므로 초음파 발생의 직접적인 기능은 펄서에만 해당한다.

STB-A1 표준시험편은 초음파탐상시험(STB-A1)에서 표준구멍(반사체) 직경 50mm인 표준시험편으로 규정되어 있다. 그림의 원형 반사체 "A"는 이 표준시험편에 가공된 표준 구멍을 나타내며, 그 직경은 50mm이다.

배관 길이이음을 외면에서 경사각탐상하면 곡률 때문에 내면 입사각이 평판보다 커진다. 그래서 스킵 거리는 같은 두께의 판재보다 길어진다. 이 차이는 두께/외경 값이 클수록 더 커지므로 '작을수록 커진다'는 설명은 틀리다. 같은 이유로 두께/외경 값이 크면 빔이 내면에 닿도록 굴절각을 작게 해야 한다.

초음파탐상검사에서 CRT(음극선관) 상의 에코 위치는 시험체 속 초음파의 전파시간에 의해 결정된다. CRT의 수평축(시간축)은 초음파 발생 후 결함이나 경계면으로부터 반사되어 돌아오기까지의 왕복 시간을 나타내므로, 에코의 수평 위치가 곧 깊이 정보를 제공하며 이는 전파시간과 초음파 속도의 곱으로 계산된다.
펄스폭은 에코의 높이(진폭)에 영향을 줄 뿐 개별 에코 위치 결정과는 무관하다.
접촉 면적은 음향 결합도에 영향을 줄 뿐 개별 에코 위치 결정과는 무관하다.
펄스반복 주파수는 측정 반복률에만 관련되므로 개별 에코 위치 결정과는 무관하다.

100R 중심의 노치홈(슬리트)은 원호에서 반사되어 돌아온 초음파를 다시 원호 쪽으로 되돌린다. 그래서 탐촉자에 100mm 간격의 반복 에코가 받아진다. 노치홈이 없으면 두 번째 이후 에코가 돌아오지 않아 시간축(측정범위) 조정이 어렵다.

전몰수침법에서 물의 음향임피던스 차이로 인한 반사파(물-알루미늄 경계면에서의 반사)가 표면에코와 제1저면에코 사이에 간섭하지 않으려면, 물 속에서 음파가 왕복하는 거리가 알루미늄 판 내에서 한 번 왕복하는 거리 이상이어야 한다. 즉, 물거리에서 음파의 왕복 시간 ≥ 알루미늄 판에서 음파의 왕복 시간이어야 한다.
알루미늄 판의 왕복 시간: $t = \frac{2 \times 26 \text{ mm}}{6500 \text{ m/s}} = \frac{52 \times 10^{-3}}{6500} = 8 \times 10^{-6} \text{ s}$
물거리를 d mm라 하면, 물에서의 왕복 시간: $\frac{2d}{1500 \text{ m/s}}$
조건: $\frac{2d \times 10^{-3}}{1500} = 8 \times 10^{-6}$ ⟹ $2d \times 10^{-3} = 12 \times 10^{-3}$ ⟹ $d = 6 \text{ mm}$
따라서 최소 물거리는 6mm이다.

멀티플렉스는 여러 채널의 신호를 하나로 통합하거나 선택적으로 라우팅하는 회로로, 초음파 탐상기의 기본 동작 원리와는 직접적인 관련이 없다. 고급형 또는 특수한 용도의 장비에서만 선택적으로 사용되어 필수 구성 요소가 아니다.
초음파 탐상기의 기본 회로 구성은 송신부, 수신부, 증폭회로, 동기부 등으로 이루어져 있으며, 수신부는 반사된 초음파를 다시 전기신호로 변환한다.
송신부는 전기신호를 초음파로 변환하여 피검사체에 전송하는 핵심 회로 요소이다.
동기부는 송수신 타이밍을 제어하는 핵심 회로 요소이다.
증폭회로는 미약한 신호를 증폭하는 핵심 회로 요소이다.

탐촉자의 Q값, 대역폭, 펄스폭은 초음파 탐상의 감도와 분해능에 반대 방향으로 작용한다. Q값이 크고 대역폭이 작으면 탐촉자가 특정 주파수에 집중되어 감도가 증가하지만, 주파수 응답이 좁아져 시간 분해능(거리 분해능)은 감소한다. 펄스폭이 길면 음파 패킷의 지속 시간이 길어져 에너지는 증가하므로 감도는 커지지만, 인접한 두 반사파를 구분하기 어려워져 분해능은 작아진다. 즉, 이 세 조건은 모두 감도 증가와 분해능 감소의 특성을 갖는다.

탐촉자-결함거리(표면거리) A = W × sinθ, 여기서 W는 빔 진행거리(65mm), θ는 굴절각(60°)이다.
 A = 65 × sin60° = 65 × 0.866 ≒ 56.3mm

초음파탐상기의 성능 평가에는 증폭의 직선상(증폭기의 선형성), 리젝션(노이즈 제거 능력), 분해능(결함 식별 능력) 등이 직접적으로 영향을 미친다. 반면 근거리 음장은 탐촉자 바로 앞 음향 특성 영역으로, 측정 불가 영역을 나타낼 뿐 기기 자체의 성능 지표가 아니며, 따라서 성능 평가와는 구별되는 개념이다.

STB-A2 시험편은 KS B 0801(금속 재료 인장 시험편)에서 규정하는 표준 시험편으로, 평저공(flat bottom hole)의 크기가 정해져 있습니다. STB-A2 시험편의 평저공 규격은 ø1×1, ø2×2, ø4×4로 제한되며, ø3×3은 규정되지 않는 비표준 규격입니다. 따라서 평저공이 아닌 것은 3번입니다.

경사각탐상(각도탐촉자를 이용한 초음파탐사)에서 결함 검출 효율을 높이기 위해 2개의 탐촉자를 사용하는 주사방법은 투과주사이다. 투과주사는 한 쪽에 송신 탐촉자, 반대쪽에 수신 탐촉자를 배치하여 초음파가 피검사체를 통과하도록 하는 방식으로, 경사각탐상에서 결함에 의한 초음파 감쇠를 직접 감지할 수 있다.
진자주사는 단일 탐촉자를 좌우로 움직이는 방식이다.
지그재그주사는 1개 탐촉자의 이동 패턴에 관한 것이다.
목돌림주사도 1개 탐촉자의 이동 패턴에 관한 것이다.
따라서 이들은 2개 탐촉자를 사용하는 경사각탐상의 주사방법과는 맞지 않는다.

1스킵 거리는 $Y_{1.0S}=2t\tan\theta$이다. 값을 대입하면 $Y_{1.0S}=2\times19\times\tan70^\circ=38\times2.747\approx104.4\,\text{mm}$이다. 따라서 1스킵 거리는 104.4mm이다.

KS B 0896 페라이트계 강 초음파탐상검사에서 경사각 탐상 에코높이 구분선은 기준신호를 토대로 H선, M선, L선으로 구성된다. M선은 H선보다 6dB 낮게 설정하는 것이 기준이며, L선은 M선보다 6dB 낮게(따라서 H선보다 12dB 낮게) 설정된다.
L선이 M선보다 6dB 높다는 설명은 잘못 기술했다.
H선의 높이는 스크린 높이의 80% 이상이어야 하므로 50% 이하가 되어서는 안 된다는 설명도 틀렸다.
에코높이 구분선 3개(H, M, L)로 영역구분은 4개 구간을 형성하므로 영역구분을 3개로 한다는 설명도 오류다.

ASME Section V Article 23 SA-388 표준초음파탐상검사에서 교정(calibration) 시 이득수준(gain level)의 손실 한계는 15% 이상이다. 초음파탐상검사의 신뢰성을 유지하기 위해 기준 음향임피던스나 음향감도가 초기 교정값 대비 15% 이상 감소하면 탐촉자, 케이블, 결합제 등 시스템 구성요소를 점검하고 교정을 재설정해야 한다.

ASME Section V Article 4 초음파탐상검사 기준에서 관경 20인치 이하의 곡률을 가진 시험체에 대한 교정용 시험편 요구사항을 다루고 있다. 곡면 초음파검사의 신뢰성을 확보하기 위해 곡률이 다른 여러 곡면을 대표할 수 있도록 서로 다른 반경(곡률)을 가진 시험편이 필요하며, ASME 기준에서는 이러한 다양한 곡률 조건을 커버하기 위해 최소 6개의 시험편을 요구한다.
이는 검사 대상 기기의 곡률 범위 전체에 걸쳐 탐촉자 감도 설정 및 신호 해석의 정확성을 보장하기 위한 규정이다.

KS B 0897은 알루미늄 판 맞대기 용접부 중 두께 5mm 이상에 적용한다. 따라서 4mm는 적용 범위를 벗어난다.

ASME Section V Article 4(초음파탐상검사)에서 규정하는 진동자 주사 방향의 중첩 정도는 진동자 면적의 최소 10%이다. 초음파탐상검사에서 검사 영역의 누락을 방지하고 신호의 연속성을 확보하기 위해 인접한 주사 경로 간 중첩이 요구되며, 이는 진동자가 차단하는 면적 기준으로 규정된다. 진동자 체적이 아닌 면적 기준이며, 최소한 10%의 중첩을 만족해야 검사의 신뢰성이 보장된다.

KS D 0233에서 이진동자 수직탐촉자는 판두께 60mm 이하의 강판 탐상에 쓴다. 60mm를 넘는 두께는 수직탐촉자로 탐상하므로 65mm는 이진동자 수직탐촉자로 탐상할 수 없다.

KS B 0897에서는 에코 높이 레벨이 A평가 레벨을 넘는 불연속부를 A종으로 분류한다. A평가 레벨 이하이면서 B평가 레벨을 넘는 것은 B종이다. 따라서 A평가 레벨을 넘는 것을 C종으로 판정한다는 설명은 틀리다.

ASME Section V Article 4(초음파탐상검사)에서 기본 교정 블록(Basic Calibration Block, 스틸 B1)의 감도 설정 홀 직경은 검사 대상 두께에 따라 결정된다. 비배관 맞대기 용접부 두께 75mm는 50mm 이상의 범위에 해당하며, 이 경우 기본 교정 블록의 감도 설정 홀 직경은 5mm이다. ASME 기준에서는 두께가 증가할수록 더 큰 홀을 사용하여 검사 감도를 적절히 설정하도록 규정하고 있다.

페라이트계 강의 초음파탐상검사에서 횡파(shear wave) 게이트 범위는 KS B 0896 규정에 따라 10 ~ 250 mm로 설정해야 한다. 이 범위는 페라이트계 강의 특성상 비교적 낮은 감쇠율과 탐상 깊이 확보 요구를 반영하며, 용접부 검사 시 결함 탐지 신뢰성을 확보하기 위한 표준 게이트 설정값이다.