초음파(Ultrasonic wave)

초음파는 1880년에 프랑스의 물리학자 폴 루이 쿨롱(Palu-Louis Curid)에 의해 발견되었다.

쿨롱은 쿨롱 효과라고도 알려진 음파의 특징을 발견하였는데 쿨롱 효과는 일정한 압력이나 전기장을 가하면 일정한 주기로 음파가 발생한다는 것을 보여준다. 

이후, 초음파 연구를 통해 초음파의 속도 및 파장에 대한 연구가 계속되어 오늘날 우리 생활에서 유용하게 활용되고 있다. 

 

1. 초음파의 정의

초음파는 사람이 들을 수 있는 범위보다 진동수가 더 큰 소리를 가리킨다.

진동수는 물체가 1초 동안 진동하는 횟수로, 단위는 헤르츠(HZ)이다.

사람이 들을 수 있는 진동수는 20~20,000Hz인데, 초음파는 진동수가 20,000Hz 이상이다.

초음파는 사람이 들을 수 있는 가청음보다 파장이 짧기 때문에 작은 장애물과 부딪친다고 해도 반사가 잘 일어나지만 파장이 긴 가청음은 반사가 잘 일어나지 않는다.

박쥐, 돌고래, 그 밖의 몇몇 동물들은 초음파를 이용하여 어둠 속에서 물체의 위치와 먹이의 움직임을 알 수 있다.

이것을 반향정위라고 하는데, 동물은 초음파의 펄스를 방출하여 물체에 반사된 펄스의 반사음을 듣고 물체의 방향과 거리를 알아낸다. 움직임을 추적할 때는 반향정위와 도플러효과라고 하는 파동 주파수의 변화를 사용한다.

이 변화는 음원과 음을 반사하는 물체 사이의 상대적 운동 때문에 일어난다.

 

2. 초음파를 만드는 법

과학자들은 초음파를 만들어낼 수 있는 호각을 비롯해 여러 가지 장치를 발명했다.

이 중에서 널리 쓰이는 초음파트랜스듀서는 전기에너지를 초음파로 바꾼다.

트랜스듀서 (transducer) [명사] [전기·전자 ] 한 형태의 전기 에너지를 다른 형태의 전기 에너지로 바꾸는 장치. 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 것, 또는 어떤 주파수에서 다른 주파수로 변환하는 것 따위

 

어떤 초음파트랜스듀서에는 석영이나 세라믹 물질로 만드는 특수한 원반이 들어 있다.

여기에 전기신호를 주면, 원반이 빠른 속도로 진동하면서 초음파를 만들어낸다.

많은 트랜스듀서는 초음파를 전기에너지로 바꿀 수도 있다.

이러한 트랜스듀서는 초음파를 발생시킬 뿐만 아니라, 초음파가 어떤 물질에 부딪친 뒤 돌아온 반사음을 전기로 바꾼다.

이때 반사음을 세기가 강할수록 강한 전기펄스가 생긴다.

컴퓨터를 이용하면 이러한 전기펄스의 세기나 반사음이 오는 방향과 같은 자료를 처리하여 초음파를 반사한 물질에 대한 정보를 알아낼 수 있다.

어떤 컴퓨터에서는 이러한 자료를 화면에 영상으로 나타낼 수도 있다.

 

3. 초음파의 활용

초음파는 의학과 산업 등 여러 곳에 쓰인다.

초음파의 용도는 이용 방법에 따라 수동적 방법과 능동적 방법의 두 가지로 나눌 수 있다.

 

태아의 초음파 사진

□ 수동적 방법    오직 정보를 얻으려고 초음파를 이용하는 것을 뜻한다. 예를 들면 의사들은 초음파를 이용해 태아의 발달 상태를 관찰한다. 초음파는 종양이나 담석, 심장병을 비롯한 질병의 진단에도 쓰인다. 의사들은 대부분 초음파 검사가 아무런 부작용이 없다고 믿고 있다.

산업에서 초음파는 금속과 플라스틱 파이프의 두께를 재거나 잉크나 페인트 속에 들어 있는 입자의 농도를 검사하는 데 쓰인다. 음파탐지기는 초음파를 이용해 적함이나 물고기 떼의 위치, 그리고 해저 장애물 등을 알아낸다

☞초음파트랜스듀서는 초음파를 발생시킨 다음, 반사되어 오는 초음파를 다시 전기펄스로 바꾼다. 반사음의 방향이나 펄스의 세기와 같은 자료를 컴퓨터가 받아 태아의 코와 입술의 영상을 만들어낸다.

 

□ 능동적 방법  물질에 어떤 효과를 발생시키려고 초음파를 이용하는 것을 말한다. 예를 들면 초음파로 두뇌의 종양이나 신장 결석을 없앨 수 있다. 초음파는 시계나 다른 정밀한 장비를 씻어내거나 화학물질을 혼합할 때에도 쓰인다. 어떤 초음파는 금속을 용접할 만큼 충분한 에너지를 내기도 한다.