인간이 들을 수 없는 ‘초음파’, 의료-전동칫솔-안경닦이 등 다양한 활용 [지식용어]

[시선뉴스 심재민] 병원에서 종합 검진 등 검사를 받을 때 ‘방사선’만큼 자주 사용되는 개념이 있다. 바로 초음파이다. 초음파 검사를 통해 임신 여부를 확인하기도 하고 몸 안의 혹이나 종양을 발견하기도 한다.

초음파란 주파수가 인간이 들을 수 있는 가청주파수보다 커서 인간이 들을 수 없는 음파이다. 사람의 귀가 들을 수 있는 음파의 주파수는 일반적으로 16Hz~20kHz의 범위로 보통 주파수의 마지노선인 20kHz를 넘는 음파를 초음파라고 한다. 때문에 ‘불가청 음파’라 부르기도 한다. 참고로 개, 고양이, 돌고래, 박쥐, 쥐와 같은 몇몇 동물들은 사람보다 더 높은 가청범위를 가지고 있어서 초음파도 들을 수 있다.

초음파의 존재는 19세기 말부터 알려지기 시작했다. 초음파가 세간의 이목을 끌게 된 것은 1919년 프랑스의 물리학자 ‘랑지방’이 수정의 피에조 전기 효과를 이용해 강력한 초음파의 발생에 성공하면서 부터이다. 랑지방은 초음파 특유의 방향성과 투과성을 이용해 처음으로 수중 목표물에 대한 탐지, 측심, 수중 통신 등에 응용했고, 그 후 음파로서의 성질 이외에 물리 화학적 현상, 생물학적 현상에 대해 초음파가 가진 다양한 작용이 밝혀지게 되었다.

초음파 발생시키는 방법은 무엇일까? 초음파는 보통의 음파와 같이 높은 진동수의 발음체를 만드는 것에서 출발한다. 이를 위해 물체의 전기적 혹은 자기적 성질을 적절하게 이용하는 방법에 쓰인다. 그 후 커다란 주파수(진동수)의 교류 전압을 수정/티탄산 바륨 등 특수한 물체의 양 끝에 걸면 진동을 하고 코일에 커다란 주파수의 교류를 보내면 그 주파수로 진동하는 자계가 생기게 된다. 그리고 그 자계 속에 자기적 성질이 강한 니켈/페라이트 등의 물체를 넣으면 그 물체도 함께 진동한다. 이 물체들의 진동을 발음체로 삼아 초음파를 발생시킬 수 있게 된다.

초음파의 특징은 진동수가 크기 때문에 파장이 짧은 것, 강도가 보통 음파보다 뚜렷하게 큰 것이 얻어지기 때문에 보통의 음파에서는 볼 수 없는 현상이 나타난다. 작은 동물이나 세균을 사멸시키고, 적혈구의 파괴, 열작용, 안개 발생, 응결/분산 작용 등의 현상이 발생하고 그 외 여러 가지 화학/물리적 변화를 일으키는 작용을 한다.

초음파는 이러한 파장의 특성을 이용해 여러 가지 용도로 사용된다. 먼저 초음파세척에 이용한다. 원리는 이렇다. 물속에서 초음파를 발생시키면 음파의 진동에 의해 많은 거품이 발생한다. 이때 거품이 물체 표면에 붙어 있는 이물질을 떼어내는데, 음파가 1초에 수만 번 물을 진동시키기 때문에 마치 방망이로 두드려 세탁하는 효과가 있다고 알려져 있다. 이를 이용한 안경 세척기, 초음파 칫솔 등이 시중에 나와 있다.

또한 모기 같은 해충의 퇴치에 초음파을 이용하기도 한다. 사람의 피를 빠는 모기 암컷은 여름철 알을 낳을 때가 되면 수컷 모기를 피한다. 이 말은 곧 수컷 모기가 내는 초음파를 방안에서 발생시키면 암컷 모기가 그 공간에는 들어오지 않는다는 것인데, 이에 착안한 해충 퇴치기가 여름철에 인기를 얻기도 한다.

초음파는 의료용으로 자주 활용되는데, 가장 대표적인 것이 임신했을 때 태아의 형상을 보기 위해 초음파를 사용하고 있다. 원리는 초음파를 복부에 발생시키고 태아로부터 반사되어 온 음파를 분석하여 아기의 모습을 영상으로 보여주게 된다. 그 밖에 건축물의 안정성이나 수명 등을 조사할 때 초음파를 이용한 비파괴검사를 하기도 한다.

인간이 들을 수 없는 대역의 음파인 초음파, 유용한 초음파에 대한 연구가 더욱 활발히 이루어져 더욱 다양한 분야에 활용되기를 바란다.