초음파란

1. 초음파란 무엇인가

1.1 초음파의 기원

"인공적으로 처음에 초음파(超音波)를 발생시킨 것은 언제인가"라는 물음에 대해서는 대답하기가 곤란하지만, 실용적인 초음파 장치가 등장한 것은 1921년경, 프랑스의 랑지방(P.langevin)에 의해 만들어진 초음파 측심기(測深機)라고 전해지고 있다. 당시 사용된 진동자는 금속원판 사이에 수정을 샌드위치식으로 삽입한 것으로서 이것을 랑지방형 진동자라고 한다. 그러나 그 후로 이 방면의 연구는 잠수함 추적을 목적으로 추진되었기 때문에 각국이 모두 군사관계로 비밀리에 추진되어 불명확한 점이 많았다.
한편, 1925년에 피어스(Pirce)가 초음파 간섭계(干涉計)를 발명하였고, 1932년에는 <초음파에 의한 빛의 회절>이 발견되어, 초음파는 오로지 물성연구를 위한 수단으로 사용되기에 이르렀다.
강력한 초음파의 응용에 대해서도 1928년 미국의 우드와 루미스(Wood & Loomis)가 200kHz의 수정진동자와 2kW의 발진기를 이용하여 일련의 실험을 실시한 끝에 발표했기 때문에 강력 초음파의 여러 가지 작용 또는 현상에 대해서는 이 무렵부터 알려지기 시작했지만, 어느 것이나 실험단계에 머물렀고, 공업적인 이용에는 미치지 못했다.
이와 같이 초음파에 의한 여러 작용이나 응용이 오래전 부터 알려졌지만, 공업적으로 이용하지 못한 것은 일반적으로 기술수준이 낮고, 가격이 비싸며, 전쟁으로 인해 비밀리에 추진된 것이 큰 원인이라고 생각할 수 있는데, 기타 진동자로서 수정진동자가 사용된 것도 하나의 원인이라고 생각된다.

1.2 무엇을 초음파라고 하는가?

"초음파란 무엇인가"하고 물으면 대부분 "주파수가 높아서 귀에 들리지 않는 음"이라고 답하는 사람이 많다.
그러면 우선 음이란 무엇인가를 생각해 보자.
일반적으로 음이란 "공기의 진동이 사람의 귀에 전달되어 고막을 진동시킴으로써 인간의 감각으로 느끼는 것"
이라고 할 수 있다. 따라서 음이란 말은 원래 인간의 감각을 기본으로 만들어진 말이다. 그러나 우리처럼 음을 물리적으로 다루고 있는 사람으로서는 인간의 감각만을 기본으로 해서 말을 전한다는 것은 애매하며 또한 수량적으로도 다룰 수 없고, 음의 본질도 이해할 수도 없다. 그래서 마이크로폰과 기타 측정기를 준비해서 "음"을 
물리적으로 분석해 볼 필요가 있다.
이렇게 하면 어떤 오묘한 벌레소리나 제트기의 폭음도 오실로그래프나 미터에 의해 파형이나 전류값으로 표현할 수 있으며, 따라서 인간의 감각과는 멀어진 정성(定性), 정량적(定量的)인 "음"으로 이해할 수 있게 된다.
지금까지 음이라고 한 것은 공기의 소밀파(공기의 분자가 밀집하여 압력이 높은 부분과, 압력이 낮은 부분이 
서로 엉키어 나타나 진동이 전해지는 파)로서 그 진동의 반복 주파수는 1초 동안에 16회 내지 20,000회(16~20,000Hz)이며, 또 강도에도 어떤 범위가 있다.
이 범위를 그림으로 나타내면 그림 1.1과 같은데, 물론 이 범위에는 개인차가 있어서 20,000Hz의 음을 들을 수 있는 사람은 그리 많지 않으며, 실제로는 이이상의 음은 들리지 않는 것으로 간주하는 것이 일반적이다.
이 그림을 토대로 앞서 언급한 "초음파란 주파수가 높아서 귀에 들리지 않는 음이다."란 정의를 바꾸어 말하면 "초음파란 20,000Hz이상의 주파수의 음이다"라고 할 수 있게 되지만 이 20,000Hz(20kHz)라는 값은 인간의 감각(그것도 개인차가 큰 감각)에 관계하는 것 이외에는 전혀 의미가 없다. 다라서 예를 들면 "20kHz의 주파수로  
기공기를 제작한 경우, 이것은 초음파 가공기가 되며, 도한 19kHz로 가공기를 제작한 경우는 단순히 음파 가공기이다"라고 말하는 것은 곤란하며 의미도 없다. 굴뚝에서 나오는 연기를 제거하는 집진기에는 8kHz 전후의 주파수가 주로 사용되고 있는데, 이것도 초음파 집진기라고 한다.
한편, 초음파 세척기는 액체속의 소밀파를 이용한 것이고, 초음파 탐상기는 고체속의 소밀파를 이용한 것으로, 어느 것이나 공기 중의 파와 본질적인 차이는 없으며, 공기만 특별히 취급할 이유는 없다. 이렇게 되면 지금까지와 같이 공기 중에서만 생각한 것도 문제가 된다.
특히 고체의 경우는 강성(剛性)이 있으므로 소밀파(종파) 이외에 편파(횡파)도 발생하며 이들이 경계면(예를 들면 봉의 측면)에 충돌 할 때마다 종파에서 횡파로, 횡파에서 종파로 이행하므로 "우리는 음파를 취급하기 때문에 횡파는 모른다"라고 할 수도 없다.
또, 고체의 표면 부근만을 전달하는 표면파나 판을 따라 전해지는 편파도 발생한다. 고체의 표면으로만 음파가 전달되고 내부로는 들어가지 않는다는 것도 불가사의한 느낌이 들지만, 사실은 우리가 불안을 느끼고 있는 지진의 경우에도 이 표면파가 발생하고 있는 것이다. 단, 지진의 경우에는 주파수가 낮으므로 음파가 통과하는 깊이는 땅속 수백미터가 되지만, 지구의 크기에 비하면 거의 표면만이라고 할 수 있다.
이와 같은 사실에서 "음파" 그 자체의 정체는 명확히 알 수 없지만 결국 "음파란 탄성(왜곡과 변형을 원래 상태로 복귀하려는 성질-체적탄성, 신장탄성, 강성)과 관성(질량에 관계한다)에 따라 생기는 파동을 말한다"라고 정했으며, 초음파란 인간의 귀로 듣는 것을 목적으로 하지 않는 음파를 말한다"라고하기로 했다. 여러 종류(진동 모드 또는 진동상태라고 한다)의 음파 발생방법 및 각 부분의 진동방향을 그림 1.2에 나타냈다(압전진동자로 MHz대의 음파를 발생하는 경우)

1.3 초음파는 어떤 장치에 이용되는가

최근 TV의 리모콘 스위치, 사진기의 자동촛점장치, 가습기 등, 가정에서도 초음파가 널리 이용되고 있다. 또 초음파로 유화시킨 구두약, 초콜릿 등이 선전되고 있으므로 적어도 초음파란 말은 많이 들었을 것이다. 특히 병원에서 초음파 진단장치에 대한 말을 많이 들었을 것으로 생각한다. 그러나 아직 초음파와 초단파를 혼돈하고 있는 삶도 있겠고, 더구나 초음파에 대한 응용의 전모를 알고 있는 사람은 그리 많지 않을 것이다.
그래서 우선 초음파는 어떤 이용면이 있는가에 대하여 언급하기로 하겠다. 초음파는 크게 나누어 2종류의 응용-즉 통신적 응용과 동력적 응용이 있다. 이 분류법에 의한 여러 응용을 표 1.1에 열거하였다. 통신적 응용이란 초음파를 신호로 이용하는 것으로서 전파의 응용과 비슷하다. 이 경우에는 펄스파가 많이 이용되는 것도 하나의 특징이다. 동력적 응용이란 초음파를 에너지로 이용하는 것으로 이론바 강전관계의 응용과 비슷하다.
여기에 게재한 것이 모두 전부라고는 할 수 없지만, 그 응용면의 무한하다고 할 수 잇다. 특히 이 외에 인공적인 것은 없지만, 동물 가운데 박쥐는 30kHz~80kHz의 초음파를 내어 그 반사음을 귀로 들어서 장애물의 존재를 안다고 하는 것이 확인되었다. 또 돌고래와 같은 동물에 대해서도 세밀히 조사하고 있으며, 기타 생물에서도 초음파를 내거나 듣는 것이 무수히 많다고 알려져 있다.

통신적 응용
응 용 예 방 법

수중소너, 어군탐지기, 측심기

수중(해수중)에 초음파 펄스를 발사, 그 반사파를 수신하여 반사체의 거리, 방향, 
크기 등을 안다.

탐상기

금속재료 등의 고체 중의 초음파 펄스를 발사, 그 반사파로 상처의 위치, 성질을 안다.

두께 측정기

금속판 등의 단면에서 주파수가 주기적으로 변화하는 초음파를 발생, 그 공진주파수로 
판의 두께를 측정한다.

간섭계

송파기와 반사판간의 거리를 변화시킨 때의 진동자 임피던스의 변화로 매질 중의음속, 
감쇠를 측정한다.

유속, 유량계

흐리는 상류에서 하류로 및 하류에서 상류로 향해 초음파를 보내 그 도달시간의 차에서 유속을 구한다.

액면계

원리적으로 측심기와 같으며, 공기 중에서 측정하는 것과 액체 내에서 측정하는 것이
있다. 발전소의 서지탱크, 연료, 약품 등의 탱크의 액면 측정, 기록, 경보 등에 이용된다.

액면경보기

진동자가 액체 속에 들어간 때와 공기 중에 나온 때의 임피던스 차이로 어느 수위 이상인가, 이하인가를 판정하여 경보를 발생한다.

전도계

시료 액체 속에 진동체를 넣고, 그 면에 평행한 진동을 가하여 유체에서 받은 저항을 검출해서 점도를 측정한다. 전왜진동형, 자왜진동형, 비틀림 수정형 등이 있다.

응력분포의 측정

응력이 존재하고 있는 곳에서는 횡파의 음속 진동자 방향에 의하여 차이가 나는 것을 
이용하여 광탄성과 비슷한 방법으로 투명체 속에서도 응력 분포를 측정할 수 잇다.

수중통화

초음파를 반송파로 해서 이것을 음성 주파수로 변조하여 플로그맨 등의 수중 통화에 사용한다.

경도계

가는 니켈봉의 끝에 다이어몬드 칩을 붙여 이것을 피측정 재료에 가볍게 누르면서 종진동시킨 때의 공진주파수의 편차로부터 재료의 경도를 측정한다.

지연선

초음파가 매질 속을 통과하는 데 요하는 시간만큼 신호를 지연시킨다. 음속이 전파의
속도에 비해 느린 것을 이용하고 있다. 특히 초고주파 탄성 표면파가 실용에 적합한다.

여파기

고체 재료의 기계적 공진을 이용한 것과 고주파 탄성표면파를 이용한 것이 실용화되어 
있다. TV의 중간주파 증폭단 등에 사용된다.

펄스에 의한 진단

원리적으로 탐상기와같은 것으로, 인체 내 각 부의 구조나 작용, 조직의 상태(예를 들면 간)를 수시로 찍어 낼 수 있다.

도플러법에 의한 진단

연속파가 심장, 혈관 등과 같이 운동하는 기관에 닿아 도플러 효과로 주파수가 변화하는 것을 이용하여 그 기관의 운동상태를 조사한다.

물성연구

각종 매질의음속, 흡수, 분포 등을 측정하여 그 매질의 물성과 화학적 반응속도 기타 해명이 가능하다.

광학적 응용

초음파에 의한 빛의 굴절, 회절 등을 이용하여 음속 기타 특정을 하거나 고주파에서 동작하는 스트로브스코프를 만든다. 또 레이저 발진기용의 루비에 초음파 진동을 가하면 
레이저광의 변조가 가능하다

동력적 응용

응 용 예

방 법                                  

세척기

시계부품, 베어링 기타 기계부품의 세정, 녹세척, 도금의 전처리, 피(血) 세척 기타

유화

구두약, 초코렛, 사진유제 등의 유화

액체의 무화
(에어로졸의 제조)

액체 속에서 액면으로 향해 초음파를 조사하면 액체가 무화한다. 가습, 소독 등에 
이용된다. 주파수가 높을 수록 입자가 미세한 안개개 된다. 

도 금

초음파는 교반, 분산작용에 의해 전기화학적 작용- 특히 분극에 대하여 큰 영향을 미치며 도금의 개량에 이용된다. 단 대로는 나쁜 작용도 일으킬 수 있다. 

알루미늄의 납땜

알루미늄 표면의 산화피막을 제거하고 납땜한다. 잡을 녹인 壺를 진동시키는 방법과 
납을 진동시키는 방법이 있다. 

용접

용접하는 2장의 판을 겹쳐 그 한족에서 정압을 가하면서 초음파의 횡진동(금속의 경우) 도는 종진동(플라스틱의 경우)을 부여하여 그 접촉면에 마찰열을 발생시켜 용접한다. 

구멍뚫기 가공

공구를 파가공물에 밀착해 붙이고 砥粒과 물의 혼합물을 공급하면서 공구를 진동시키면 공구와 같은 모양의 구멍이 뚫린다. 유리, 보석, 자기 등의 구멍뚫기, 절삭 등에 이용된다. 

절삭가공

선반에의한 절삭가공시 공구에 절삭방향의 진동을 부여하면 작은 부하로 절밍한 가공이 가능하다. 

소성가공

압연, 선빼기, 파이프의 인바르 드로밍 등의 금속의 소성가공시, 공구 등을 통하여 피가공재에 초음파 진동을 가하면 그 진동응력에 의해 가공을 쉽게하고 마무리를 
잘 할 수 있다. 

주조

금속용탕 중에 또는 그 응옥 중에 초음파를 조사하여 탈기, 조직의 미세화, 분산 등의 
작용을 부여하여 기계적 여러 성질을 개선한다. 
본체의 압축, 압출성형 본체를 압축성형하거나 압출성형할 때에 분체에 초음파를 조사하면 작은 압력으로 스무스하게 누르게 된다. 

피로시험

혼 끝에 반파장 공진의 시험편을 붙이고 20kHz 부근에서 진동시키면 단시간에 피로시험할 수 있다. 

미분탄의 회수

미분탄을 기름과 함께 흘려 이것에 초음파를 조사하고 응접되어 크게 된 알갱이를 회수한다. 

연료기름의 개질

C중유에 초음파를 조사하여 탈분을 분산시켜 연소시키면 A중유와 동등하게 사용할 수 있다. 선박의기관에 초음파 장치를 부가하여 사용하고 있다. 

집진

굴뚝에서 나오는 연기도 사이렌 등으로 강력한 초음파 진동을 부여하면 미립자가 응집하여 침강하므로 깨긋한 연기가 된다. 

숙성

술, 향료, 사진 유제 등의 숙성을 촉진한다. 

세균, 바이러스, 혈구의 파괴

캐비테이션에 의한 기계적 파괴, 도는 산화 작용에 의한 세균, 바이러스, 혈구의 파괴
도는 사멸, 왁친 BCG 제조, 독소, 항체성 물질, 효소의 추출 등에 이용되낟. 

치료(수술)

중상 등의 유해조직에 집속 초음파를 조이게 하여 그 조직만 국부적으로 파괴 치료한다. 

치료

염좌, 신경통 등에 대하여 초음파 목욕탕 등에 넣어 뼈부분을 따뜻하게 하거나 마크로마사지하여 치료한다. 

선택적 가열

매질이나 주파수에 의한 흡수계수의 차이를 이용하여 희망하는 부분을 선택적으로 가열한다. 

건조

피건조물체의 분위기 속에 강력초음파를 발생시켜 건조를 촉진한다. 
특수 응용

응 용 예

방 법                                 

음향 방출

금속, 광물, 콘크리트 등을 소성변형시킬 때, 물체 내에서 발생하는 불규칙한 펄스적 
초음파를 수파하여 그 물체가 받은 응력의 이력과 과대응력이 발생하고 잇는 위치를 
알아 압력용기 등에 사고의 발생을 예방한다.

집어

고기가 먹는 음을 녹음해두고 그 음을 재생하여 수중에 흘려 넣어 고기를 모은다.
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