[초음파비파괴검사기사 필기] 19년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

탄소강과 알루미늄을 비교하면, 탄소강은 투자율(μ)이 약 200~300으로 매우 높고, 알루미늄은 투자율이 약 1이므로, 동일 주파수와 도전율 조건에서 탄소강의 침투깊이가 훨씬 얕다.
와전류탐상에서 침투깊이(skin depth)는 $d = \frac{1}{\pi f \mu \sigma}$로 정의되며, 여기서 f는 주파수, μ는 투자율, σ는 도전율이다. 따라서 투자율과 도전율이 높을수록, 주파수가 높을수록 침투깊이는 얕아진다.
'투자율이 낮을수록 침투깊이는 얕다'는 투자율이 낮을수록 깊어진다는 점에서 역순이다.
'도전율이 높을수록 침투깊이는 깊다'는 도전율이 높을수록 얕아진다는 점에서 역순이다.
'시험주파수가 낮을수록 침투깊이는 얕다'는 주파수가 낮을수록 깊어진다는 점에서 역순이다.

충전율(fill factor)은 피검사체(구리 봉)의 단면적을 코일의 단면적으로 나눈 비율이다. 구리 봉 직경 1cm, 코일 직경 2cm이므로, 피검사체 반지름 r₁ = 0.5cm, 코일 반지름 r₂ = 1cm이다. 충전율 = $\frac{\pi r_1^2}{\pi r_2^2} = \frac{r_1^2}{r_2^2} = \frac{(0.5)^2}{(1)^2} = \frac{0.25}{1} = 0.25$ (즉 25%)이다.

포정 반응(peritectic reaction)은 냉각 중 액상이 고상과 반응하여 새로운 고상을 생성하는 반응으로, 일반식은 (액상) + (고상) → (고상)이다. (고상A)+(액상)→(고상B)는 고상과 액상이 함께 반응하여 새로운 고상을 생성하는 포정 반응의 정의와 정확히 일치한다.
(액상)→(고상A)+(고상B)는 공정 반응(eutectic reaction)의 형태이다.
(액상A)+(액상B)→(고상)은 액상 두 개가 반응하는 것으로 실제 불가능하다.
(고상A)→(고상B)+(고상C)는 고상끼리만 반응하는 것으로 포정 반응이 아니다.

로크웰경도의 시험하중은 60·100·150kgf로, 각각 588.4N·980.7N·1471N이다. 1962N(200kgf)은 로크웰 시험하중에 해당하지 않는다.

Cr(크롬)은 탄화물을 형성하여 경도와 인성을 높이는 합금원소로서, 절삭성보다는 내마모성과 강도 향상에 주력하므로 쾌삭성 향상과는 거리가 멀다.
쾌삭강(free-cutting steel)의 쾌삭성을 향상시키려면 절삭 시 칩(chip) 형성을 용이하게 하고 공구와의 마찰을 줄이는 원소가 필요하다.
S(황)는 황화물(MnS)을 형성하여 칩 단절성을 개선한다.
Se(셀레늄)는 황과 유사하게 작용하여 쾌삭성을 향상시킨다.
Pb(납)는 윤활 작용을 통해 절삭 저항을 감소시킨다.

비금속 개재물 검사 분류는 ASTM E45 표준에 따라 4개 그룹으로 나뉜다. 그룹 A는 황화물, 그룹 B는 알루민산염, 그룹 C는 규산염, 그룹 D는 산화물이다. 따라서 그룹 B에 해당하는 개재물 종류는 알루민산염 종류이며, 이는 주로 Al₂O₃·3SiO₂ 형태로 존재한다. 단일 구형 종류는 별도의 분류체계이므로 그룹 B가 아니다.

직접접촉 수직탐촉자로 두께를 재는 방법에는 한 번의 바닥에코를 이용하는 일탐법(단일에코법), 연속되는 바닥에코 사이 간격을 이용하는 다중에코법, 송·수신 소자가 분리된 분할형 탐촉자법이 있다. 속도교정은 측정 전에 음속을 맞추는 교정 절차일 뿐 두께를 측정하는 방법이 아니다.
※ 정답 정정(2026-09-23): 종전 등록 정답 2번을 4번으로 바로잡았습니다. 초음파 두께측정 교재의 직접접촉 수직탐촉자 측정법은 1탐법(일탐법)·다중에코법(다중반사법)·분할형 탐촉자법. 다중에코법은 대표적 측정법이며, '속도교정'은 측정 전 음속 보정 절차이지 측정방법이 아님.

접촉매질은 탐촉자와 시편 사이의 음향 임피던스 정합용이므로, 보정 시와 측정 시에 다를 경우 신호의 감쇠나 반사 특성에는 영향을 주지만 두께 측정값 자체의 오차에는 거의 직접적인 영향을 주지 않는다. 두께는 음파 속도와 왕복 시간으로 계산되므로 접촉매질 변화보다는 음파 속도 편차와 재질 불일치가 더 중요한 오차 요인이다.
초음파 두께 측정은 기준이 되는 보정용 대비시편으로 교정한 후 피검사체를 측정하는 방식이므로, 보정 시와 측정 시 동일한 조건을 유지해야 한다.
음파 진행속도의 편차는 두께 계산값에 직접 영향을 주는 오차 요인이다.
보정용 탐촉자와 측정용 탐촉자가 다르면 탐촉자 특성 차이로 인한 오차가 생긴다.
재질에 따라 음파 속도가 다르므로 대비시편과 검사체 재질 불일치가 주요 오차 요인이다.

근거리 음장(near field distance, Dead zone)은 $N = \frac{D^2 \cdot f}{4c}$로 계산된다. 여기서 D는 탐촉자 직경, f는 주파수, c는 음속이다. 주어진 값을 대입하면 $N = \frac{(12)^2 \times 2.5}{4 \times 6} = \frac{144 \times 2.5}{24} = \frac{360}{24} = 15.0 \text{mm}$이다. 따라서 근거리 음장은 15.0mm이다.

초음파를 포함한 모든 파동은 반사의 법칙을 따르며, 이에 따르면 반사각은 입사각과 같다. 이 법칙은 매질의 종류(알루미늄, 물 등)와 무관하게 경계면에서의 파동 반사에 항상 적용되는 기본 원리다. 따라서 알루미늄과 물의 경계면에서도 초음파의 반사각은 입사각과 동일하다.

종파(종주파, Longitudinal Wave)는 액체와 기체에서도 전파하므로 3번이 틀렸다. 종파는 입자가 파의 진행 방향과 평행하게 진동하는 압축파로, 음파처럼 기체·액체·고체 모두에서 전파한다. 1번은 종파의 정의(압축파, P파 또는 L파), 2번은 종파의 진동 특성(입자 진동 방향 = 파 진행 방향)이 모두 맞다. 4번의 속도 관계는 탄성파의 특성으로, 같은 매질에서 P파(종파) 속도는 S파(횡파) 속도의 약 1.7~2배이다.

λ/Ds≒1인 경우는 파장과 입자 크기가 비슷한 중간 크기 영역으로, 이를 Stochastic 산란(또는 난류 산란)이라 한다.
초음파의 산란감쇠는 파장과 결정입자 크기의 상대적 관계에 따라 세 가지 영역으로 구분된다.
Rayleigh 산란은 λ/Ds≫1(입자가 파장보다 매우 작음)일 때 발생한다.
확산 산란(또는 기하 산란)은 λ/Ds≪1(입자가 파장보다 매우 큼)일 때 발생한다.
따라서 λ/Ds≒1 조건은 Stochastic 산란의 정의에 정확히 부합한다.

경사각탐상(각도탐상)에서 STB-A2와 RB-4는 모두 감도 조정용 표준시험편이며, RB-4는 후판(두꺼운 강판)에 적용되는 반면 STB-A2는 박판용이다. RB-4는 표면파의 영향이 적어 신호 판별이 용이하고, 경험이 적은 검사원도 손쉽게 탐상할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 RB-4는 사각탐상뿐만 아니라 직각탐상(수직탐상)에도 사용 가능하므로, "사각탐상 이외에는 사용할 수 없다"는 표현은 RB-4의 특징이 아니다.

5.0 MHz - 직경 1인치 진동자가 f × D = 5.0으로 가장 크므로 원거리 음장에서 빔 분산이 가장 적다.
원거리 음장에서 빔 분산을 평가하는 기준은 지향성 지수(directivity index) 또는 빔 확산각으로, 이는 주파수와 탐촉자 직경의 곱(f × D)이 클수록 분산이 적다.
각 보기를 계산하면
1.0 MHz - 직경 3/8인치: 1.0 × 3/8 = 0.375
5.0 MHz - 직경 1인치: 5.0 × 1 = 5.0
2.25 MHz - 직경 1인치: 2.25 × 1 = 2.25
5.0 MHz - 직경 3/8인치: 5.0 × 3/8 = 1.875
이다.

탐촉자와 거리가 같은 조건이면, 빔보다 작은 결함의 에코 높이는 결함의 반사 면적에 비례한다. 따라서 면적비는 에코 높이 비인 80 : 50 : 20, 즉 8 : 5 : 2이다.

초음파의 굴절각은 스넬의 법칙에 의해 결정되며, 이 법칙은 $\frac{\sin\theta_1}{v_1} = \frac{\sin\theta_2}{v_2}$로 표현된다. 여기서 굴절각 $\theta_2$는 입사각 $\theta_1$과 각 매질의 음속($v_1, v_2$)에만 의존한다.
초음파의 진동수: 진동수는 매질 변화 시에도 불변이므로 굴절각 결정에 영향을 주지 않는다.
초음파의 파장: 파장은 음속과 진동수의 곱($\lambda = v/f$)으로 결정되므로 본질적 결정요인이 아니다.
초음파의 강도: 강도는 음파의 크기를 나타낼 뿐 굴절 방향과 무관하다.

초음파탐상검사에서 표면파(Surface Wave)는 재료의 표면 근처에 국한된 탄성파로, 표면 밑 약 1파장(λ) 정도의 깊이까지만 유효하게 검출할 수 있다. 표면파의 진동 에너지는 표면에서 최대이며 깊이가 증가할수록 지수함수적으로 감쇠하므로, 1파장을 초과하는 깊이의 결함 검출은 신호 강도 저하로 불가능하다. 따라서 표면 및 표면 근처의 균열, 박리 등 결함 검출에 특히 유용하며, 깊은 내부 결함 검출에는 종파나 횡파가 사용된다.

초음파 탐상에서 같은 거리에 위치한 결함의 에코 높이는 음파 반사 면적에 의존한다. 기공은 구형이므로 음파 입사 방향에 관계없이 반사 면적이 작고 에코가 약하지만, 융합불량은 평면 형태로 음파가 수직 입사될 때 반사 면적이 크므로 에코가 강하게 나타난다. 두 결함이 같은 크기이고 같은 거리에 있더라도 음파 반사 특성의 차이로 인해 융합불량의 에코가 기공의 에코보다 높게 표시된다.

탐상방향과 탐상면은 초음파 빔이 결함면에 수직으로 입사할 수 있도록 정해야 반사 에코를 가장 크게 얻을 수 있다. '반사되는 면이 수직이 되는 면을 탐상면으로 한다'는 설명은 이 원칙과 맞지 않는다. 결함의 위치와 방향을 예측하고, 검사 부위 전체가 주사범위에 들어가게 하며, 적절한 굴절각을 고르는 것은 기본 고려사항이다.

스넬의 법칙(굴절 법칙)을 적용하여 두 매질의 음속 관계를 먼저 구한다. 음향임피던스 Z = ρv(밀도 × 음속)이므로, 매질 1: 6 = 3000 × v₁ → v₁ = 0.002 m/s, 매질 2: 8 = 4000 × v₂ → v₂ = 0.002 m/s가 된다. 두 매질의 음속이 같으므로 스넬의 법칙 sin θ₁/v₁ = sin θ₂/v₂에서 θ₁ = θ₂이다. 따라서 입사각 15°일 때 굴절각도 15°가 된다.

초음파탐상기의 기본 성능은 증폭의 직선성(Linearity), 분해능(Resolution), 시간축의 직선성(Time Base Linearity) 3가지다.
증폭의 직선성은 입력신호와 출력신호의 관계가 직선적이어야 함을, 분해능은 근접한 두 개의 결함을 구별하는 능력을, 시간축의 직선성은 화면의 수평축이 시간에 정확히 비례해야 함을 의미한다.
'빔폭'과 '최대감도': 장비의 부차적 특성이거나 기본 성능이 아니다.
'집속범위': 장비의 부차적 특성이거나 기본 성능이 아니다.
'주파수·굴절각·불감대': 장비의 부차적 특성이거나 기본 성능이 아니다.

임상에코는 결정립 산란 때문에 생기므로 주파수를 낮춰 파장을 길게 하면 줄어든다. 5Z20N(5MHz, 지르콘티탄산납, 20mm, 수직)에서 주파수만 2MHz로 낮춘 2Z20N이 가장 적절하다. 10MHz로 올리거나 진동자만 작게 하면 산란이 오히려 커지거나 개선되지 않는다.

원형 기공은 구형 반사체라 어느 방향에서 빔을 받아도 반사 특성이 같다. 결함을 중심으로 빔을 겨눈 채 원을 그리며 움직이는 진자주사에서는 에코 높이가 거의 변하지 않는다. 전후·좌우·목돌림 주사에서는 빔이 결함에서 벗어나므로 에코 높이가 변한다.

수침법에서 스넬의 법칙(굴절의 법칙)을 적용하면
$\frac{\sin\theta_1}{v_1} = \frac{\sin\theta_2}{v_2}$이다.
물에서 강재로 입사되는 초음파의 경우
$\frac{\sin 14°}{1500} = \frac{\sin\theta_2}{3200}$이므로
$\sin\theta_2 = \frac{3200 \times \sin 14°}{1500} = \frac{3200 \times 0.2419}{1500} \approx 0.5175$이다.
따라서 $\theta_2 = \arcsin(0.5175) \approx 31.1°$인데, 이는 종파의 굴절각이다.
횡파는 굴절각이 더 작으므로 스넬의 법칙을 횡파속도로 재적용하면
$\sin\theta_{횡} = \frac{1500 \times \sin 14°}{3200} = \frac{1500 \times 0.2419}{3200} \approx 0.1137$이고,
$\theta_{횡} = \arcsin(0.1137) \approx 6.5°$이다.

면 모양의 결함(층상 결함, 박리)은 음향 임피던스 차이가 커서 반사가 크므로, 불필요하게 높은 주파수를 사용하면 감쇠로 인한 신호 손실이나 노이즈 증가만 초래하기 때문에 적절한 수준의 주파수 선택이 중요하다.
초음파탐상검사에서 시험주파수 선정은 재료 특성과 결함 특성에 따라 결정된다. 주파수가 높을수록 결함검출 능력과 위치결정 정밀도는 향상되지만, 감쇠가 커져 투과깊이가 감소하고, 결정립이 조대한 재료에서는 산란손실이 증가하여 신호가 왜곡된다.
주파수를 낮추는 것이 결함검출 능력을 높인다: 오류로, 주파수를 높일수록 결함검출 능력이 향상된다.
결정립이 조대한 재료에 높은 주파수 선택: 오류로, 결정립이 조대한 재료는 낮은 주파수를 선택하여 산란손실을 줄여야 한다.
위치결정 정밀도를 위해 낮은 주파수 사용: 오류로, 높은 주파수일수록 위치결정 정밀도가 높아진다.

STB-A1은 강(횡파속도 약 3230m/s)으로 만든 시험편이고, 알루미늄의 횡파속도는 약 3080m/s입니다. 스넬의 법칙으로 환산하면 $\sin\theta_{Al}=\sin45^\circ\times\frac{3080}{3230}\approx0.674$이므로 $\theta_{Al}\approx42.4^\circ$입니다. 횡파속도가 강보다 느린 알루미늄에서는 굴절각이 작아지므로 약 43°입니다.

초기 주사에 사용하는 탐촉자 내의 수정 또는 수정 집합체의 총 유효면적 기준은 2.5cm²가 아니라 더 큰 값으로 규정되어 있거나 다른 기준이 적용되므로, 표준의 실제 권장사항과 가장 거리가 멀다.
ASME Sec.V, Art.23 SB-548 표준초음파탐상검사에서 권장하는 탐촉자의 사양을 검토하면 다음과 같다.
평면 비집속형: 평면 비집속형 탐촉자가 기본이다.
종파 압전수정: 정격주파수에서 종파를 발신·수신하는 압전수정을 내장한 구조가 표준이다.
원형 탐촉자 유효지름: 불연속부 치수 평가용 원형 탐촉자의 유효지름이 19mm 이하로 제한된다.

판두께 t=20mm는 표의 분류 기준에서 18초과 60이하 영역에 해당하고, 검출레벨 III에서 결함지시 길이(측정치) 11mm를 각 등급 기준(t/3, t/2, t 이하)과 비교한다. t/3=6.67mm, t/2=10mm이므로 11mm는 이를 초과하며, t 이하(20mm 이하) 기준을 만족하므로 3류에 해당한다.

자동탐상에서는 접촉매질로 통상 물을 쓰고, 수침법이나 직접 접촉법으로 용접선 양쪽에서 탐상하는 것이 원칙입니다. 탐촉자와 용접부 사이 거리를 5스킵 이상으로 멀리 두면 감쇠와 빔 확산 때문에 감도가 떨어집니다. 그래서 이 거리는 통상 짧은 스킵 거리 이내로 하며, 보기 4가 틀린 설명입니다.

ASME Section V, Article 4(표준초음파탐상검사)에서 아날로그 장치의 직선성(linearity) 점검은 3개월을 초과하지 않는 범위 내에서 주기적으로 수행되어야 한다. 이는 초음파탐상 장비의 측정 정확성을 보장하기 위한 필수 교정 항목으로, 신호 응답의 일관성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

ASME Section V, Article 4(초음파탐상검사)의 교정 확인 기준에서 감도 설정이 2dB 또는 20% 이상 변할 때 감도를 수정하고 재시험을 해야 한다. 2dB와 20%는 동등한 기준으로 제시되며, 둘 중 하나라도 초과하면 재교정 및 재시험 대상이 된다.
초음파탐상에서 dB와 백분율의 관계는 $dB = 20\log_{10}(\text{진폭비})$이므로, 2dB는 약 26%의 진폭 변화에 해당하지만, 표준에서는 실무상 용이한 측정을 위해 20%를 기준값으로 규정하고 있다.

ASME Sec.V, Art.23 SB-548 표준초음파탐상검사에서 주사 간격(scanning interval)은 진동자 수정체 지름의 2.7배로 규정된다. 진동자 수정체 실제 지름이 10mm일 때, 주사 간격 = 10mm × 2.7 = 27mm이다.

KS D 0252의 각 홈 N-10, N-12.5에서 숫자는 관 두께에 대한 홈 깊이의 비율(%)을 뜻한다. 각 홈의 나비는 1.5mm 이하로 한다.

ASME Sec.V Art.4에서 탐상장비는 2.0dB 이하의 단계로 조절할 수 있는 게인 조절기를 갖추어야 합니다. 작동 주파수는 적어도 1~5MHz이어야 하며, 댐핑 조절기는 감도를 떨어뜨리지 않는 경우에만 사용할 수 있습니다. 리젝트 조절기는 직선성을 해치지 않는다는 것이 입증되지 않는 한 "off" 위치에 두어야 합니다.

A3형계 STB로 점검한 결과의 합격 여부는 입사점 측정위치, 굴절각 눈금, ø4×4mm 구멍의 에코 높이로 판정한다. R100면은 입사점을 측정할 때 반사원으로 쓰일 뿐이며, 그 에코 높이는 판정 기준에 들어가지 않는다.

초음파 펄스 반사법에 의한 두께 측정 규격 KS B 0536의 다점측정법에서 하나의 측정점을 기준으로 한 원의 지름은 30mm이다. 이는 측정점 주변의 재료 특성 편차를 고려하여 규정된 기준점 주변 영역으로, 동일한 두께 특성을 가진 대표성 있는 측정 영역을 확보하기 위한 규격 기준이다.

KS B 0817의 탐상도형 기본 기호는 T(송신펄스), S(표면에코), F(흠집에코), B(저면에코), W(측면에코)이다. 따라서 B를 흠집에코라고 한 설명이 틀렸다.