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수려한집게벌레191
초음파를 이용하여 산모 배 속의 태아를 관찰하거나 바다 속 물고기 떼의 위치를 정확하게 탐지할 수 있는데요. 이 초음파 진단기 및 어군 탐지기의 원리는 무엇인가요?
초음파를 이용하여 산모 배 속의 태아를 관찰하거나 바다 속 물고기 떼의 위치를 정확하게 탐지할 수 있는데요. 이 초음파 진단기 및 어군 탐지기의 원리는 무엇인가요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
초음파 진단기와 어군 탐지기는 모두 박쥐나 돌고래가 어둠 속에서 물체를 찾는 원리와 같은 음파의 반사(와 시간차 측정을 기본 원리로 사용합니다. 사람 귀에는 들리지 않는 정밀한 고주파 음파를 몸속이나 바닷속으로 쏘아 보낸 뒤, 무언가에 부딪혀 되돌아오는 반사파를 분석하여 내부를 확인하는 방법입니다.
산모 배 속의 태아 관찰은 2~10MHz 수준의 높은 주파수를 사용하여 프로브에서 나온 초음파가 엄마의 복부 피부에서 자궁으로, 태아의 피부에서 장기 및 뼈를 순차적으로 통과하는 과정을 거칩니다. 양수는 음파가 그냥 통과해 까맣게 보이고, 태아의 피부나 장기는 일부가 반사되어 회색, 밀도가 매우 높은 태아의 뼈는 강하게 반사되어 하얗게 표시되어, 컴퓨터가 되돌아오는 신호의 시간과 강도를 모아서 실시간 입체 영상으로 만들어냅니다. 초음파 젤을 바르는 이유는 초음파는 공기를 만나면 대부분 반사되어 몸속으로 들어가지 못합니다. 피부와 프로브 사이의 미세한 공기를 차단하고 음파가 부드럽게 통과하도록 매개체 역할을 하는 것이 바로 젤입니다.
어군 탐지기는 수중에서 멀리 나아가야 하므로 의료용보다 주파수가 낮은 수십~수백 kHz 대역의 초음파를 바다 아래로 쏘아 올리면, 배 바닥에 달린 송수신기에서 초음파를 수중으로 발사하면, 바닷물을 타고 내려가다가 해저 바닥이나 물고기 떼에 부딪혀 반사되어 돌아옵니다. 물고기가 잘 탐지되는 이유는 물고기의 몸속에 있는 부력 주머니 때문입니다. 물로 둘러싸인 바닷속에서 공기가 차 있는 부력 주머니는 밀도 차이가 매우 크기 때문에 초음파를 아주 강하게 반사시킵니다.
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채택된 답변안녕하세요. 초음파 진단기와 어군 탐지기는 서로 다른 분야에서 사용되지만, 기본적인 과학적 원리는 매우 비슷한데요, 핵심은 초음파를 물체에 보내고, 물체에서 반사되어 돌아오는 신호를 분석하여 내부 구조나 위치를 알아내는 것입니다. 즉, 눈으로 직접 볼 수 없는 대상을 소리로 탐지하는 기술이라고 할 수 있습니다.
초음파는 사람이 들을 수 있는 범위보다 높은 주파수의 음파를 말하는데요, 사람이 일반적으로 들을 수 있는 소리는 약 20Hz에서 20kHz 사이인데, 의료용 초음파나 어군 탐지기에서는 이보다 훨씬 높은 주파수의 음파를 사용합니다. 초음파는 공기보다 물이나 인체의 조직처럼 밀도가 높은 물질을 통과할 때 비교적 잘 전달되며, 서로 다른 물질의 경계에 도달하면 일부가 반사됩니다.
초음파 진단기에서는 초음파 탐촉자가 중요한 역할을 하는데요, 탐촉자 내부에는 압전소자라는 특수한 물질이 들어 있는데, 전기 신호를 받으면 아주 빠르게 진동하면서 초음파를 발생시킵니다. 반대로 물체에서 반사되어 돌아온 초음파가 압전소자에 도달하면 다시 미세한 전기 신호로 변환됩니다. 즉, 하나의 장치가 초음파를 보내기도 하고 돌아온 초음파를 받아들이기도 하는 것입니다.
산모의 배에 초음파 탐촉자를 대면 초음파가 피부와 조직을 통과해 자궁과 태아에 도달하며, 이때 태아의 피부, 뼈, 장기, 양수처럼 서로 성질이 다른 조직의 경계에서 초음파가 서로 다른 정도로 반사됩니다. 장비는 돌아오는 초음파의 시간과 세기를 분석하여 어느 위치에 어떤 경계가 있는지를 계산하고, 이를 화면의 영상으로 변환하는데요, 따라서 초음파 영상은 카메라가 태아를 직접 촬영한 사진이 아니라, 초음파의 반사 정보를 컴퓨터가 영상으로 재구성한 것입니다.
어군 탐지기도 기본적으로 같은 원리를 이용하는데요, 배 아래쪽에 설치된 탐지기가 바닷속으로 초음파를 발사하면 초음파가 물속을 이동하다가 물고기나 해저면에 부딪혀 일부가 반사되어 돌아옵니다. 물고기의 몸에는 부레라는 공기가 들어 있는 기관이 있기 때문에 주변의 물과 음향 특성이 크게 달라 초음파를 비교적 잘 반사합니다. 탐지기는 돌아온 신호를 분석하여 물고기 떼가 어느 깊이에 있는지, 어느 정도 규모인지 등을 추정할 수 있습니다.
특히 중요한 정보가 초음파가 돌아오는 데 걸린 시간인데요, 초음파가 물속이나 인체 조직에서 이동하는 속도를 알고 있다면, 신호를 보낸 순간부터 반사파가 돌아오는 순간까지의 시간을 측정해 물체까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 예를 들어 반사 신호가 빠르게 돌아오면 가까운 곳에 반사체가 있다는 뜻이고, 늦게 돌아오면 더 먼 곳에 있다는 뜻입니다. 다만 초음파가 모든 물질을 똑같이 통과하는 것은 아닌데요, 물질마다 음파가 전달되는 특성이 다르기 때문에 공기와 뼈처럼 음향 특성 차이가 큰 경계에서는 초음파가 강하게 반사됩니다. 이것이 의료 초음파에서 뼈 뒤쪽이나 공기가 많은 장기는 관찰하기 어려운 이유 중 하나입니다. 감사합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
초음파 진단기와 어군 탐지기는 모두 초음파를 발사한 후 물체에 부딪혀 되돌아오는 반사파를 수신하는 원리를 사용합니다.
초음파가 되돌아오는데 걸린 시간으로 거리를 계산하고 매질의 밀도 차이에 따른 반사파의 강도로 물체의 유무와 형태를 파악합니다.
이렇게 수집한 신호를 컴퓨터 장치가 디지털 영상이나 그래픽으로 시각화하여 산모의 배속 태아의 모습이나 바다속 물고기 떼의 위치를 화면에 보여주는 것 입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)