주파수에 따라 우리 몸속을 시각화하거나 심지어 물체를 공중에 띄울 수도 있다.

의학과 기술 속의 소리 ; 놀라운 효과를 지닌 보이지 않는 파동

소리는 우리의 청각에 필수적이다. 하지만 그 외에도 음파는 다양한 실용적인 특성을 지니고 있다. 주파수에 따라 우리 몸속을 시각화하거나 심지어 물체를 공중에 띄울 수도 있다. 

▲ 초음파 검사는 특히 임신 중에 흔히 사용되는 검사 방법이다.

인체 내부에서의 소리 활용

의학 분야에서 소리를 활용하는 잘 알려진 방법 중에서 하나가 초음파다. 초음파 검사에서는 1~16MHz의 주파수를 가진 음파가 사용되는데, 이는 인간의 가청 범위 밖에 있다. 하지만 이 음파는 강력하고 파장이 짧아 우리 몸을 투과할 수 있다. 따라서 조직 손상 없이 내부 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다.

특수 장비가 초음파를 인체에 보내고 반사된 신호를 수신한다. 음파는 다양한 조직에 부딪히면 각기 다른 정도로 반사되거나 산란된다. 컴퓨터는 이러한 반사된 신호를 이용해 인체 내부의 이미지를 계산한다. 조직의 종류에 따라 밝기 수준이 다르게 나타난다. 액체는 어둡게, 뼈와 같은 고형 구조물은 밝게 나타나며, 대부분의 장기는 회색 음영으로 표현된다.

초음파는 때때로 X선보다 우수하다.

다른 진단 영상 검사에 비해 초음파 검사의 장점 중 하나는 인체에 ​​해를 끼치지 않는다는 것이다. 독일 초음파 의학회(DEGUM)의 볼프강 하르퉁(Wolfgang Hartung)은 "초음파 진단은 음파만을 사용하여 이미지를 생성하는데, 이는 이온화 방사선과는 달리 인체 조직에 부정적인 영향을 미치지 않는다"며, "따라서 이론적으로 초음파 검사는 환자에게 부담을 주지 않고 원하는 만큼 자주 시행할 수 있다"고 설명했다.

일부 의사들은 이러한 이유로 많은 경우 X선 검사보다 초음파 검사를 선호해야 한다고 주장한다. 하르퉁은 "시행되는 모든 X선 검사의 거의 3분의 1이 골격과 관련되어 있다"고 말했다. "하지만 수많은 연구에서 특정 골절의 경우 초음파 검사가 X선 검사만큼 효과적이거나 오히려 더 우수하다는 것을 보여주었다.“

소리는 물체를 띄울 수 있다.

초음파는 의학에서만 사용되는 것이 아니다. 실제로 물체를 띄우는 데에도 사용될 수 있다. 2013년, 연구진은 초음파를 이용해 미세한 물방울을 공중에 자유롭게 띄우고 정밀하게 움직일 수 있음을 입증했다. 이는 음향 부양이라는 기술 덕분에 가능하다. 이 기술에서는 스피커에서 강력한 초음파가 방출되어 송신기와 반사판 사이에서 충돌하고 중첩된다. 이때 정재파가 생성되고 압력 마디가 형성된다. 이 마디에서는 음파의 힘이 매우 강해져 매우 가벼운 물체를 중력에 저항하여 공중에 띄울 수 있다.

▲ 2015년 실험에서 나타난 공중부양 현상. © Nature Video

이 기술은 이후 더욱 발전되었다. 오스트리아 과학기술연구소의 물리학자들은 음향 부양에 전기적 전하를 결합할 수 있음을 보여주었다. 이를 통해 여러 개의 부유 입자를 분리된 상태로 유지하고 조작할 수 있다. 추가적인 정전기적 반발력으로 인해 입자들이 공중에서 서로 뭉치는 것을 방지하고, 입자의 배열과 움직임을 훨씬 더 정밀하게 제어할 수 있다.

이러한 음파력장은 미래에 매우 실용적인 작업에 활용될 수 있다. 정밀하게 적용된 음파만을 이용하여 민감한 부품을 직접 만지지 않고 조립하거나 이동시킬 수 있게 될 것이다. 음향 "견인 빔"을 이용해 개별 부품을 제자리에 이동시키는 전체 제조 공정이 가능해질 수도 있을 것이다. (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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