초음파

3. 역사

초음파 연구는 기원전 6세기 피타고라스가 현악기의 수학적 특성을 연구하면서 시작되었다. 1794년 라자로 스팔란차니는 박쥐가 시각이 아닌 들을 수 없는 소리로 사냥과 이동을 한다는 반향 위치 확인 능력을 발견하였다. 1893년 프랜시스 갈톤은 초음파를 발생시키는 조정 가능한 휘슬인 갈톤 피리를 발명하여, 인간과 다른 동물의 청력 범위를 측정하고 많은 동물이 인간의 청력 범위를 벗어나는 소리를 들을 수 있다는 것을 증명하였다.

4. 인간의 초음파 청취

인간이 들을 수 있는 최대 주파수 한계(약 20kHz)는 중이(middle ear)가 로우패스 필터처럼 작용하기 때문이다. 그러나 두개골에 고강도 초음파가 직접 전달되어 골전도를 통해 달팽이관(cochlea)에 도달하면 청각적 감각이 발생할 수 있다.^[13]

어린이는 나이 든 성인이 들을 수 없는 일부 고음을 들을 수 있는데, 이는 인간의 경우 청력의 상한 주파수가 나이가 들면서 감소하는 경향이 있기 때문이다.^[14] 한 미국 휴대전화 회사는 이를 이용하여 젊은 사람들에게만 들리는 것으로 알려진 벨소리를 만들었지만,^[15] 많은 나이 든 사람들도 이 벨소리를 들을 수 있는데, 이는 고령화에 따른 상한 청력 역치의 저하에 상당한 차이가 있기 때문일 수 있다.

5. 동물의 초음파 이용

박쥐, 돌고래, 고래와 같은 일부 동물들은 초음파를 사용하여 먹이를 찾거나 의사소통을 한다. 이들은 초음파를 소나(sonar)처럼 이용하여 장애물이나 먹이를 식별하고, 동료를 찾기도 한다.^[70]

개나 고양이와 같은 동물들은 인간보다 높은 주파수의 소리를 들을 수 있다. 예를 들어 개 훈련 휘파람은 개를 부르기 위해 높은 주파수를 발산하며, '무음 휘파람'은 18kHz~22kHz 범위의 초음파 주파수를 발생시킨다.

5. 1. 박쥐

5. 2. 돌고래와 고래

5. 3. 기타 동물 (개, 고양이, 물고기, 나방 등)

6. 초음파의 발생

인공적으로 초음파를 발생시키기 위해서는 높은 진동수의 발음체가 필요하다. 압전 효과를 이용한 소자(수정, 티탄산 바륨 등)나, 자기 변형 효과를 이용한 소자(니켈, 페라이트 등)가 사용된다.^[1]

• 압전 효과 이용: 수정, 티탄산 바륨 등의 특수한 물체 양 끝에 높은 진동수의 교류 전압을 걸면 물체가 진동한다.
• 자기 변형 효과 이용: 코일에 높은 진동수의 교류를 보내면 진동하는 자계가 발생한다. 이 자계 속에 니켈, 페라이트 등 자기적 성질이 강한 물체를 넣으면 물체가 진동한다.

7. 초음파의 활용

공정거래위원회는 초음파를 이용한 “진드기 퇴치” 및 “모기 퇴치” 상품에 대해 효과가 없다고 판단하여 시정 명령을 내린 적이 있다.^[74][75]

7. 1. 측정 및 탐지

'''초음파 센서를 이용한 거리 측정'''

• 대상 물체까지의 거리: L (m)
• 측정된 시간: T (s)
• 음속: V (m/s)
• 기온: t (℃)
• L = (T * V) (m)

여기서 V = 331.5 + 0.6 * t (m/s)

초음파 탐상기는 물체를 파괴하지 않고 내부 결함을 탐지하는 장치로, 반사되는 초음파를 통해 결함의 크기와 위치를 파악한다. 초음파 후도계는 구조물의 한쪽에서 초음파를 보내어 그 두께를 측정하는 장치이다.

이 외에도 초음파는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.

; 정보적 이용

• 거리 측정기(자동차 주변 장애물 감지, 초음파식 차량 감지기, 적설계 등)
• 누출 검사(가스·수도 등 배관 누출 센서)
• 초음파 두께 측정기
• 초음파 볼트 축력계
• 비파괴 검사 장치 (초음파 탐상 검사, 레이저 초음파 측정)
• 초음파 검사 (의료)
• 태아 초음파 검사
• 복부 초음파 검사
• 심장 초음파 검사
• 경부 초음파 검사
• 경부 혈관 초음파 검사
• 유방 초음파 검사
• 혈관 초음파 검사
• 경질 초음파 검사
• 운동기 초음파 검사
• 초음파 내시경
• 기관지강내 초음파 단층법
• 소나 (어군 탐지기)
• 측심기 (환경 측정 등)
• 초음파 유속계
• 초음파식 풍속계
• 초음파 영상 장치 (원격 조작 무인 탐사기 등)
• 건축물 파괴음 탐지
• 리모컨 등 통신
• 수중 전화

유변학에서는 음향 유변계가, 유체 역학에서는 초음파 유량계가 초음파 원리를 이용한다.

7. 1. 1. 비접촉 센서

초음파 센서는 대상에 직접 접촉하지 않고도 거리나 수위를 측정할 수 있다. 이는 의료, 제약, 군사 및 일반 산업 분야에서 인라인 센서보다 유리한데, 인라인 센서는 용기나 튜브 내부의 액체를 오염시키거나 제품에 의해 막힐 수 있기 때문이다.^[1]

초음파 센서는 연속파 시스템과 펄스 시스템을 모두 사용한다. 펄스 초음파 기술은 짧은 초음파 에너지 버스트(burst)로 구성된 송신 신호를 사용한다. 각 버스트 후, 전자 장치는 에너지가 용기를 통과하는 데 걸리는 시간에 해당하는 짧은 시간 창 내에서 반환 신호를 찾는다. 이 시간 창 동안 수신된 신호만 추가 신호 처리에 사용된다.^[1]

초음파 거리 측정 기술은 폴라로이드 SX-70 카메라와 같은 소비자 제품에도 응용되었다. 폴라로이드 SX-70 카메라는 경량 트랜스듀서 시스템을 사용하여 자동 초점을 맞추는 기능을 제공했다. 폴라로이드는 나중에 이 초음파 기술에 대한 라이선스를 부여했으며, 이는 다양한 초음파 제품의 기반이 되었다.^[1]

7. 1. 2. 거리 측정

초음파는 파장이 짧아 회절 현상이 잘 일어나지 않고 직진성이 강하여, 물체에 반사되는 성질을 이용하여 거리를 측정할 수 있다.

소나는 음파를 이용하여 항해하는 것을 총칭하지만, 현재는 초음파를 발사하여 반사되는 물체(어군, 고래, 잠수함, 선박 등)의 위치, 거리, 방향 등을 파악하는 것을 포함한다. 특히 거리를 측정하기 위해 초음파 펄스파를 사용하며, 발사 후 되돌아오는 시간을 측정하여 반사물까지의 거리를 계산한다.

초음파 센서를 이용한 거리 측정 공식은 다음과 같다.

• 대상 물체까지의 거리: L (m)
• 측정된 시간: T (s)
• 음속: V (m/s)
• 기온: t (°C)

L = (T \* V) (m)

여기서 V = 331.5 + 0.6 \* t (m/s)

측정된 시간은 초음파가 대상 물체에서 반사되어 돌아오는 시간을 의미한다.

수중 거리 측정은 소나(sonar)라고도 불리며, 초음파 펄스를 특정 방향으로 발생시켜 물체에 반사되어 돌아오는 메아리(echo)를 감지하여 거리를 결정한다. 소나 펄스가 물속에서 이동하는 시간은 물의 온도와 염도에 크게 영향을 받는다. 초음파 거리 측정은 공기 중이나 짧은 거리에서도 적용 가능하다. 예를 들어, 휴대용 초음파 측정 도구로 방의 배치를 빠르게 측정할 수 있다.

수중 거리 측정은 긴 거리(1~수 킬로미터)의 경우 가청 주파수 이하 및 가청 주파수에서 수행되지만, 거리가 짧고 정확도를 높여야 할 경우 초음파 거리 측정이 사용된다. 염도, 온도, 와류의 차이가 큰 장벽층은 초음파 측정을 제한할 수 있다. 수중 거리 측정은 수백에서 수천 미터에 이르지만, 센티미터에서 미터 단위의 정확도로 수행될 수 있다.

초음파는 자동문 개폐, 침입자 감지, 유량 측정 등에도 활용된다. 유변학에서는 음향 유변계가, 유체 역학에서는 초음파 유량계가 초음파 원리를 이용한다.

7. 1. 3. 비파괴 검사

초음파 탐상검사는 재료의 결함을 찾거나 물체의 두께를 측정하는 데 사용되는 비파괴 검사의 한 유형이다.^[33] 주로 2~10 MHz의 주파수가 사용되지만, 특수한 경우에는 다른 주파수 범위를 사용하기도 한다. 초음파 검사는 수동 또는 자동으로 수행될 수 있으며, 현대 제조 공정에서 필수적인 요소이다. 대부분의 금속뿐만 아니라 플라스틱과 항공 우주 복합재도 검사할 수 있다. 저주파 초음파(50~500 kHz)는 목재, 콘크리트, 시멘트와 같이 밀도가 낮은 재료를 검사하는 데 사용된다.^[33]

초음파 탐상기는 물체를 파괴하지 않고 내부 결함을 탐지하는 장치로, 반사되는 초음파를 통해 결함의 크기와 위치를 파악할 수 있다.

1960년대 이후, 용접부의 초음파 검사는 비파괴 검사를 위한 방사선 사진의 대안으로 자리 잡았다. 이는 이온화 방사선을 사용하지 않아 안전성과 비용 면에서 유리하다.^[33] 또한, 초음파 검사는 용접부 결함의 깊이와 같은 추가 정보를 제공할 수 있다. 초기에는 수동 방식이었으나, 현재는 컴퓨터 시스템을 통해 자동화되어 결함의 존재 식별, 크기 측정, 위치 확인 등이 가능하다. 그러나 모든 용접 재료가 초음파 검사에 적합한 것은 아니며, 일부 재료는 큰 결정 크기로 인해 측정 시 높은 수준의 배경 잡음을 유발한다.^[33]

초음파 두께 측정은 용접 품질을 모니터링하는 데 사용되는 기술 중 하나이다.

7. 2. 의료 분야

의료 분야에서 초음파는 다양한 방식으로 활용되고 있다.

체내 종기, 담석, 이물질 발견 등에 이용되며, 도플러 초음파는 심장에 초음파를 대고 반사파의 도플러 효과에 따른 파장 변화를 측정하여 심장 운동을 조사하는 데 사용된다.

고밀도 집속 초음파 치료법(HIFU)은 전립선암, 담석, 뇌혈전 등을 치료하는 데 사용된다. 초음파 골절 치료법도 연구되고 있다.^[71]

공업 분야에서는 단단하고 깨지기 쉬운 수정, 보석 등을 특수한 모양으로 절단하거나, 시계 및 카메라 부품과 같은 작은 정밀 부품 세척에도 활용된다. 또한, 혼합되지 않는 액체를 유화시키거나 화학 반응을 촉진시키고, 초음파 살균을 통해 음식물 보존에도 기여한다.

7. 2. 1. 진단 영상

'''의료 초음파'''는 근육, 힘줄, 그리고 많은 내부 장기들, 이들의 크기, 구조와 병리학적 손상을 실시간 단층 영상으로 가시화한, 초음파에 기반한 진단 의학촬영(medical image) 기술이다. 이는 주기적 또는 응급 상황에서 태아를 가시화하는 데도 사용된다. 초음파를 이용한 진단은 소노그라퍼(sonographer)라고 불리는 의료 전문가에 의해 수행된다. 산과용 초음파는 일반적으로 임신기간 동안에만 사용된다. 초음파는 적어도 50년 동안 인간의 몸속을 영상화하는 데 사용되었으며 현대 의학에서 가장 널리 사용되는 진단 기술 중 하나이며 상대적으로 저렴하고 이동이 용이하다.

초음파 영상은 2MHz 이상의 주파수를 사용한다. 파장이 짧기 때문에 구조와 조직 내부의 작은 세부 사항을 해상도 높게 나타낼 수 있다. 검사 대상 물체의 가열 및 공동 현상을 피하기 위해 일반적으로 전력 밀도는 제곱센티미터당 1와트 미만이다.^[48]

초음파는 근육, 힘줄, 그리고 여러 내부 장기를 시각화하여 크기, 구조, 그리고 병변(lesion)을 실시간 단층 촬영 영상으로 포착하는 데 사용되는 초음파 기반 진단 의료 영상 기법이다. 초음파는 방사선과 전문의와 초음파 전문가에 의해 최소 50년 동안 인체 영상화에 사용되어 왔으며 널리 사용되는 진단 도구가 되었다.^[35] 이 기술은 자기공명영상(MRI)이나 컴퓨터 단층촬영(CT)과 같은 다른 기법에 비해 비교적 저렴하고 휴대가 간편하다. 초음파는 또한 정기 및 응급 산전 진료 중 태아를 시각화하는 데에도 사용된다. 임신 중 사용되는 이러한 진단 응용 프로그램은 산과 초음파 검사라고 한다. 현재 의료 분야에 적용되는 바와 같이, 적절하게 수행된 초음파는 환자에게 알려진 위험이 없다.^[36] 초음파 검사는 이온화 방사선을 사용하지 않으며, 영상화에 사용되는 전력 수준은 조직에 역효과를 일으키는 가열이나 압력 효과를 발생시키기에 너무 낮다.^[37][38]

7. 2. 2. 치료

20kHz 대역의 고출력 초음파는 분자의 붕괴를 촉진하는 캐비테이션을 발생시켜 지방 세포를 분해하는 데 활용될 수 있다. 고강도 초음파는 액체 매질에서 공동 현상을 유도할 수 있는데, 이는 화학적 변화를 유도하거나 기계적 작용으로 유해 미생물을 불활성화하는 데 사용된다.^[48]

1940년대부터 물리치료사와 작업치료사는 인대, 힘줄, 근막 등의 결합조직 치료에 초음파를 사용해 왔다.^[49] 인대 염좌, 근육 손상, 건염, 관절염, 족저근막염 등이 초음파 치료의 대상 질환이다.^[49]

고출력 초음파는 피부 투과성을 증가시키고, 표적 영역에서 약물 효과를 가속화하며, 조직 탄성 측정을 돕는 등 다양한 분야에 활용된다.^[50]

7. 3. 산업 분야

초음파는 산업 분야에서 다양하게 활용된다. 초음파를 이용한 기술은 다음과 같다.

• '''정보적 이용''': 거리 측정기, 누출 검사, 초음파 두께 측정기, 초음파 볼트 축력계, 비파괴 검사, 소나, 측심기, 초음파 유속계, 초음파식 풍속계, 초음파 영상 장치, 건축물 파괴음 탐지, 리모컨 통신, 수중 전화 등에 사용된다.
• '''동력적 이용''': 초음파 세척기, 초음파 가공기, 초음파 모터, 고밀도 집속 초음파 치료법, 초음파 골절 치료법, 초음파 스케일러, 초음파 칫솔, 초음파 가습기, 초음파 분무기, 초음파 분무 분리장치, 초음파 다리미, 초음파 재봉틀, 유화 응고 장치 등에 사용된다.^{[70][71][72][73]}
• '''기타 이용''': 특수한 스피커, 골전도 스피커, 술 숙성기, 초음파 치료 등에 사용된다.

공정거래위원회는 초음파를 이용한 “진드기 퇴치” 및 “모기 퇴치” 상품에 대해 효과가 없다고 판단하여 시정 명령을 내린 적이 있다.^[74][75]

7. 3. 1. 초음파 처리

초음파 처리(Ultrasonication)는 액체 및 슬러리를 처리하여 혼합, 분산, 유화, 추출 등을 촉진하는 기술이다. 초음파는 액체 내에 저압 및 고압 파동을 번갈아 생성하여 작은 진공 기포를 만들고 격렬하게 붕괴시킨다. 이 현상을 캐비테이션이라고 하며, 고속 액체 제트와 강력한 유체 역학적 전단력이 발생한다.^[48] 이러한 효과는 마이크로미터 및 나노미터 크기 물질의 응집 해제 및 분쇄, 세포 분해, 반응물 혼합 등에 사용된다.

초음파 처리는 고속 믹서 및 교반 비드 밀의 대안으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제지기에서 이동하는 와이어 아래에 초음파 박막을 설치하면, 내파하는 기포에서 발생하는 충격파가 셀룰로오스 섬유를 균일하게 분포시켜 더 강하고 표면이 고른 종이를 만들 수 있다. 또한, 캐비테이션으로 생성된 자유 라디칼, 에너지 입력, 경계층을 통한 물질 전달은 화학 반응을 촉진한다. 에스터교환반응에서 기름을 바이오디젤로 전환하는 것과 같이 반응 시간을 단축시키는 효과가 있다.

나노결정화, 나노에멀젼화,^[54] 응집 방지, 추출, 세포 파괴 등에는 상당한 초음파 강도와 높은 진동 진폭이 필요하다. 일반적으로 공정은 실험실 규모에서 테스트하여 실현 가능성을 확인하고, 파일럿(벤치) 규모를 거쳐 산업 규모로 확장된다. 이러한 규모 확장 과정에서 초음파 진폭, 캐비테이션 강도, 활성 캐비테이션 영역에서의 체류 시간 등 국부적인 조건이 동일하게 유지되어야 한다. 이를 통해 최종 제품의 품질을 유지하면서 생산성을 "규모 확장 계수"만큼 높일 수 있다.

"직접적 확장성"은 점진적으로 더 큰 초음파 혼을 통합하여 더 큰 고강도 캐비테이션 영역을 생성하고, 단위 시간당 더 많은 재료를 처리할 수 있게 하는 것을 의미한다. 초음파 처리기의 출력만 높이는 것은 초음파 진폭과 캐비테이션 강도를 감소시킬 수 있으므로, 직접적인 확장성을 보장하지 않는다.^[55][56][57]

7. 3. 2. 초음파 용접

초음파 용접은 플라스틱을 용접할 때 사용되며, 고주파(15 kHz ~ 40 kHz)의 저진폭 진동을 이용하여 결합할 재료 사이의 마찰로 열을 발생시킨다. 두 부품의 접합면은 최대 용접 강도를 위해 에너지를 집중시키도록 특수하게 설계된다.

7. 3. 3. 초음파 세척

초음파 세척기는 보석, 렌즈 및 기타 광학 부품, 시계, 치과용기구, 수술용기구와 산업용 부품을 세척하는데 사용되는 기기이다. 20~40kHz의 주파수를 이용하며, 오염된 표면 근처에서 수백만 개의 미세 공동 붕괴로부터 발생되는 에너지에 의해 동작한다. 공동 붕괴에 의해 형성되는 기포가 생성하는 작은 기류가 표면으로 향한다. 가정용 초음파 세척기는 약 60USD 정도이다.

7. 4. 기타 응용 분야

초음파 가습기는 분무기의 한 종류로, 금속판을 초음파 주파수로 진동시켜 물을 분무하는 방식으로 작동하기 때문에 차가운 안개를 생성한다.^[61] 초음파 가습기는 에어로포닉스에서 안개 발생기로도 자주 사용된다.

초음파는 지향성이 높아 정밀한 탐지에 유용하며, 음압을 높여 조용한 드릴, 금속/플라스틱 가공에도 사용된다.^[70]

초음파는 다음과 같이 다양하게 활용된다.

구분	활용 분야
정보적 이용
동력적 이용
기타 이용

캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스(University of California, Berkeley) 연구진은 그래핀 진동판을 이용한 초음파 통신 기술을 연구했다. 그래핀의 얇고 가벼운 특성은 수중 통신 등에 응용될 수 있다.^[64] 초음파 신호는 인터넷 사용자의 크로스 디바이스 추적에 사용되기도 한다.^[65][66]

공정거래위원회는 초음파를 이용한 "진드기 퇴치" 및 "모기 퇴치" 상품에 대해 효과가 없다고 판단하여 시정 명령을 내렸다.^[74][75]

8. 안전성

직업적으로 120dB를 초과하는 초음파에 노출되면 청력 손실이 발생할 수 있다. 155dB를 초과하는 노출은 인체에 해로운 열 효과를 발생시킬 수 있으며, 180dB를 초과하는 노출은 사망으로 이어질 수 있다고 계산되었다.^[67] 영국의 독립적인 비전리 방사선 자문 그룹(AGNIR)이 2010년 보고서를 작성하여 영국 보건 보호청(HPA)에서 발표했다. 이 보고서는 일반 대중에 대한 공중 초음파 음압 레벨(SPL)의 노출 한계를 20kHz에서 70dB, 25kHz 이상에서 100dB로 권장했다.^[68]

의료용 초음파에서는 관성 공동화 현상을 방지하기 위한 지침이 존재한다. 관성 공동화 손상의 위험은 기계적 지수로 표현된다.

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