초음파와 소리 파동 특성을 활용한 실생활 기기 원리

지난 글에서 소리, 음파의 파동 특성에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 이러한 소리, 음파의 특성을 활용한 다양한 기기와 장치에 대해 알아보도록 하겠습니다.

초음파 활용

초음파는 인간이 들을 수 있는 소리(20 Hz ~ 20,000 Hz)보다 훨씬 높은 고주파수의 음파를 말하며, 백만(1,000,000) Hz 수준까지 올라갑니다.

따라서 인간은 초음파를 들을 수 없지만, 박쥐나 나방, 돌고래와 같은 동물들은 초음파를 사용하여 먹이를 찾고 지형을 파악하며 의사소통을 하기도 합니다.

파장이 짧은 초음파는 직진성이 강하므로, 초음파 펄스를 발사하고 반사파를 측정하면 소리의 속도와 진동수(또는 파장)를 알고 있을 경우 주변 물체까지의 거리를 알 수 있습니다. 이러한 자료들을 모아 컴퓨터로 분석하면 물체의 영상도 분석할 수 있게 됩니다.

우리 주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 초음파 활용 장치는 자동차의 주차 보조 센서입니다.

초음파 센서(Ultrasonic Sensor)를 자동차 범퍼에 설치하여 주변에 초음파 펄스(Pulse)를 발사하고 되돌아오는 반사파를 감지함으로써, 5미터 이내의 큰 물체까지의 거리를 계산합니다.

그 결과, 기준 거리보다 가까워지면 경고와 알람을 띄워 운전자가 주의하도록 함으로써 접촉사고를 예방합니다. 또한 성능 대비 가격이 저렴하여 자동차 센서로 널리 사용되고 있습니다.

초음파 활용 장치 자동차 주차 보조 센서(좌) 의료용 초음파 영상 장치(우)

초음파 영상 장치는 비교적 넓은 영역에 걸쳐 인체 내부에 초음파를 발사하고, 장기 외벽에서 돌아오는 반사파를 통해 영상을 분석하는 장치입니다. 피폭의 위험성이 있는 엑스레이나 CT 촬영에 비해 인체에 해가 적어 의료용으로 광범위하게 사용되고 있습니다.

복부와 목 부위, 특히 임산부의 태아 영상 분석에 사용됩니다.

물속에서는 음파가 더 멀리 도달하는 특성을 활용하여 초음파로 물속의 지형이나 물체를 파악할 수 있습니다. 따라서 군사용으로는 적군의 잠수함을 탐지할 수 있고, 민간용으로는 어군을 탐지하여 어업 활동에 큰 도움을 주기도 합니다.

안경점이나 실험실에서 사용하는 초음파 세척기도 고주파 진동을 통해 분자의 운동을 촉진시키는 초음파 특성을 활용하여, 물체의 표면에 고착된 이물질들이 떨어져 나가도록 한 것입니다. 이러한 효과를 국소적으로 강하게 발생시키면 살균이나 몸속의 결석 등을 깨뜨리는 데에도 사용할 수 있습니다.

소리의 파동 특성을 이용한 장치

소리는 파동의 특성을 가지고 있기 때문에 서로 중첩되고 간섭합니다. 이때 진폭이 더 커지는 보강 간섭과 반대로 진폭이 감소하는 상쇄 간섭이 있습니다.

자동차의 첨단 기능 중 하나인 액티브 노이즈 컨트롤 시스템(Active Noise Control System)은 자동차 실내에 유입되거나 발생하는 소음을 낮추는 첨단 장치로, 바로 소리의 상쇄 간섭 특성을 활용한 것입니다.

소리 음파의 상쇄 효과를 활용한 소음 감소 장치의 원리

액티브 노이즈 컨트롤 시스템의 음향 마이크가 소음을 감지하면 제어 시스템에 의해 크기는 같지만 위상이 반대인 음향이 빠르게 발생하여 서로 상쇄되도록 하고, 이로 인해 전체 소음이 감쇄됩니다.

그 밖에 악기에서 아름다운 소리가 나는 것도 소리의 파동 특성 때문인데, 악기의 공기통이 가지고 있는 고유 진동수와 일치하도록 소리나 공기 진동을 발생시키면 공명 현상이 일어나 진폭이 커지면서 소리가 크게 나게 됩니다.

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