05. 초음파 사진은 어떻게 찍을까?

<네모 속의 물리학>

음파와 음향

음파는 진동하면서 공기를 통해 이동한다. 그런데 우리는 그걸 어떻게 알까?

음파는 종파(longitudinal wave)다. 그 파동은 이동 방향으로 움직인다. 동물들은 우리가 들을 수 없는 주파수를 이용하는 반면, 음(音)은 사람에게 연설과 음악을 가능케 한다.

음파는 어떤 매질을 통과하든 원래 위치를 중심으로 입자를 앞뒤로 진동하게 만든다. 공기 중에서는 이것이 고기압 영역과 저기압 영역을 만드는데, 이들이 다시 우리의 고막을 진동시켜 소리를 들을 수 있게 한다.

우리의 귀는 주위 대기압의 10억분의 1의 진동까지 잡아낼 수 있는데, 주파수로는 20에서 2만 헤르츠 범위다. 인간의 뇌는 이 범위 내의 각기 다른 주파수들을 음색(pitches)으로 해석한다.

음압(sound pressure)에서 발생하는 진동의 변화량은 너무 커서 실제 값을 로그 단위로 변환한 로그스케일(logarithmic scale)이 사용된다. 데시벨(dB)로 측정되며, 6dB이 높아졌다는 것은 압력이 두 배라는 뜻이다. 살랑거리는 나뭇잎 소리의 음압은 20dB이며, 제트기 근처에서 발생하는 고막이 터질 듯한 소음은 130dB이다.

우리의 가청 영역을 벗어나는 소리는 초저주파음이거나 초음파라 불린다. 초저주파음(infrasound)은 20헤르츠 이하의 소리로 지진이나 코끼리 같은 큰 동물에 의해서 만들어지는데, 코끼리는 이를 대화에 이용한다. 초음파(ultrasound)는 2만 헤르츠 이상의 높은 음조의 소리다. 이는 의학적으로 태아의 초음파 검사에 이용되며, 돌고래나 박쥐 등도 반향정위, 즉 반향으로 물체의 위치를 알아내는 데 초음파를 이용한다.

의료 초음파 영상은 소노그래프(sonograph)라 불리는 검사 장치를 이용해 신체조직에 저에너지의 고주파 음파를 적용한다. 위 그림의 경우, 태아 내부조직의 특성을 반사하는 음파를 기반으로 이미지가 재구성된 것이다.

고래는 초음파와 초저주파음을 모두 사용한다. 초음파는 반향정위를, 초저주파음은 아주 먼 거리 너머와 대화하기 위해 사용한다.