항공우주 복합재 구조물 초음파 비파괴 평가 기술 연구 = Research on Ultrasonic Non-Destructive Evaluation of Aerospace Composite Structures

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the feasibility of ultrasonic non-destructive evaluation for aerospace composite structures using a dry-coupled wheel probe. Conventional through-transmission ultrasonic testing （TTU） commonly uses water as a couplant; however, in honeycomb sandwich composites, this may increase the risk of moisture ingress and interfere with reliable defect identification. To address this limitation, a dry-coupled TTU approach is investigated as an alternative to conventional water-jet inspection.
The study has two main objectives. First, it examines whether a commercial dry-coupled wheel probe can be integrated into an automated C-scan system in terms of acoustic coupling, probe configuration, curved-surface adaptability, and process integration. Second, composite specimens representative of aerospace structures are fabricated and inspected with conventional wet ultrasonic systems to derive the minimum performance requirements for a future dry-coupled TTU system.
The test set consists of two solid laminate panels and one aluminum honeycomb sandwich panel containing embedded artificial defects of different sizes and depths. Immersion pulse-echo C-scan testing is used to verify the location and layer-wise distribution of the defects, while water-jet TTU C-scan serves as the baseline for evaluating defect detectability, signal characteristics, and coupling stability. Based on these results, preliminary performance criteria for a dry-coupled TTU system are derived in terms of defect detectability, signal-to-noise ratio, coupling stability, spatial resolution, and scan speed.
Although full quantitative validation using an actual dry-coupled TTU C-scan system remains a subject for future work, this study establishes an experimental framework and a practical design basis for the future implementation of dry-coupled wheel probe inspection in aerospace composite structures.

목차 (Table of Contents)

• 제1장. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.1.1 항공우주 산업에서의 복합재 적용 현황 1
• 1.1.2 복합재 구조물의 비파괴검사 3
• 1.1.3 습식 초음파 비파괴검사의 한계와 수분 침입 문제 4
• 1.2 건식 초음파 검사 기술의 현황 6
• 1.2.1 건식 접촉 （Dry-Coupled） 초음파 기술 6
• 1.2.2 비접촉 공기 매개 （Air-Coupled） 초음파 기술 8
• 1.2.3 전자기 음향 변환 （EMAT） 초음파 기술 9
• 1.3 연구 목표 11
• 제2장. 이론적 배경 13
• 2.1 초음파 비파괴검사의 물리적 기초 13
• 2.1.1 탐촉자의 원리와 구조 13
• 2.1.2 음향 임피던스의 반사/투과 계수 14
• 2.1.3 초음파 전파 특성: 속도, 파장, 감쇠 15
• 2.1.4 근거리 음장과 빔 확산 16
• 2.1.5 스넬의 법칙 （Snell's Law） 16
• 2.2 초음파 비파괴검사의 원리 18
• 2.2.1 초음파 비파괴검사 기본 원리 18
• 2.2.2 초음파 비파괴검사 기술 분류 19
• 2.2.3 초음파 비파괴검사의 이미지 처리 기술 분류 21
• 2.3 펄스-에코법 （PE）과 투과법（TTU）의 검사 방법 23
• 2.3.1 펄스-에코（Pulse-Echo） 검사법 23
• 2.3.2 초음파 투과 （TTU） 검사법 24
• 2.3.3 수침식 집속 초음파 검사법 26
• 2.4 건식 결합 （Dry-Coupled） 초음파 기술 29
• 2.4.1 건식 결합의 원리와 음향 전달 메커니즘 29
• 2.4.2 음향 임피던스 정합층 （Matching Layer）의 역할 31
• 2.4.3 건식 결합 휠 탐촉자 （Dry-Coupled Wheel Probe） 32
• 제3장. 건식 TTU C-Scan 방법론 35
• 3.1 연구 방법 개요 35
• 3.1.1 연구 수행 단계 35
• 3.1.2 평가 항목 정의 36
• 3.2 시험 시편 및 인공결함 설계 37
• 3.2.1 시험 시편 설계 개념 37
• 3.2.2 RSB-DC-01 （Solid Laminate 20 plies） 39
• 3.2.3 RSB-DC-02 （Solid Laminate 30 plies） 41
• 3.2.4 RSB-DC-03 （Al Honeycomb Core Sandwich） 43
• 3.2.5 인공결함 설계 45
• 3.3 기준 검사 시스템 구성 47
• 3.3.1 시편 검증용 수침 PE C-Scan （TSAM-400） 47
• 3.3.2 기준 습식 TTU C-Scan （SDI-5380） 49
• 3.4 기준 검사 절차 및 데이터 획득 조건 51
• 3.4.1 수침 PE C-Scan 검사 절차 （TSAM-400） 51
• 3.4.2 습식 TTU C-Scan 검사 절차 （SDI-5380） 53
• 3.5 건식 TTU 시스템 최소 성능 요구사항 도출 방법 54
• 3.5.1 정량적 비교 지표 54
• 제4장. 연구 결과 및 고찰 56
• 4.1 수침 PE C-Scan 시편 검증 결과 56
• 4.2 습식 TTU C-Scan 시험 시편 검사결과 58
• 4.2.1 RSB-DC-01 （Solid Laminate 20 ply） 58
• 4.2.2 RSB-DC-02 （Solid Laminate 30 ply） 60
• 4.2.3 RSB-DC-03 （Al Honeycomb Core Sandwich Panel） 62
• 4.3 실험결과 분석 64
• 4.3.1 주파수별 통계적 특징 （전체 경향） 64
• 4.3.2 Solid Laminate 구조의 신호 통계 해석 65
• 4.3.3 Honeycomb Core Sandwich 구조의 신호 통계 해석 67
• 4.4 건식 TTU 최소 성능 요구사항 도출 68
• 제5장. 결 론 70
• 5.1 연구 결론 요약 70
• 5.2 연구의 한계 및 향후 과제 71
• 5.3 연구의 의의 72
• 참고 문헌 73