초음파는 기체·액체·고체에 상관없이 매질이 있으면 전파된다. 초음파는 일반적으로 가청 주파수(20kHz) 이상의 주파수 음파를 가리키는데, 사람이 듣는 것을 목적으로 하지 않는 경우, 가청 주파수 내라도 초음파라고 부르고 있다. 초음파의 이용은 ①거리 계측이나 센싱 등 계측 신호로서 취급하는 경우, ②초음파 부양이나 세정 등 힘이나 에너지로서 취급하는 경우, ③센서나 필터 소자 등의 기능성 부품으로서 취급하는 경우로 나눌 수 있다.
또한 매질로 이용을 나누면, 고체 중의 이용은 초음파 탐상기, 금속의 절삭·가공이나 접합, 초음파 현미경, 클락용 수정 진동자, SAW 필터 소자 등이 있고, 액체 중(수중)에서는 초음파 진단장치, 어군탐지기, 유속계, 초음파 세정, 고체 입자의 분산·유화, 안개화 등 다방면에 이용된다. 이들에 대해 공기 중의 이용은 거리계나 차재용의 초음파 센서 등이 있는데, 그다지 많다고는 할 수 없다. 이것은 기체 중에 대출력의 초음파 에너지가 방사되기 어렵기 때문이다.
진동체로부터 방사되는 음향 파워는 매질에 고유의 값인 고유 음향 임피던스 ρc(ρ는 매질의 밀도, c는 매질 중의 소리 전파 속도)의 크기로 결정된다. 공기의 밀도 ρ는 액체나 고체 밀도의 1/1000～1/20000 정도이고, 공기 중의 소리 전파 속도 c는 1/4～1/20 정도이므로 이들의 곱인 기체 중의 ρc값은 고체·액체 중에 비해 상당히 작아진다. 이 때문에 기체 중에 강력한 음파가 방사되기 어려운 것이다. 이것을 보충하기 위해서는 초음파 방사체의 면적을 크게 하는 것과 진동 변위 진폭을 크게 하는 것이 필요하다.
최근 많은 새로운 기술에 의해 방사체의 방사 면적을 크게 하고, 그 진동 진폭을 크게 할 수 있게 됐다. 이러한 기술 혁신에 의해 공기 중에 보다 강력한 초음파 발생이 가능해졌다. 이 글에서는 최근의 공중 강력 초음파의 발생 방법과 특징적인 활용법 등에 대해서 설명한다.
강력 중공 초음파의 발생 방법
여기서는 공기 중에 강력한 초음파를 방사하는 초음파원에 대해 설명한다. 초음파는 듣는 것을 목적으로 하지 않기 때문에 스피커처럼 넓은 재생 주파수 대역을 가질 필요는 없고, 진동부를 단일 주파수로 진동시키는 것이 일반적이다. 단일 주파수로 함으로써 공진을 잘 이용해 전기 음향 변환 효율을 높이는 것, 즉 효율적으로 소리를 방사할 수 있다. 이하에 설명하는 초음파 발생원은 기본적으로 단일 주파수의 구동이다.
1. 초음파 트랜스듀서
공기 중에 비교적 강력한 초음파를 발생하는 음원으로서 초음파 트랜스듀서(Transducer)(초음파 에미터)가 있다. 이것에는 여러 종류의 타입이 있는데, 크게 나누어 개방형, 방적형, 고주파형으로 나눌 수 있다. 이 중 개방형 초음파 트랜스듀서의 일례를 들면, 그림 1에 나타낸 것 같은 직경 10mm, 길이 7mm 정도의 원통 형상으로 공진 주파수가 약 40kHz인 초음파원이 있다. 이것은 내부에 압전 세라믹이나 공진자 등이 들어 있으며, 축 상의 거리 30cm에서 음압 레벨 120dB(입력 전압 10V(실효값))을 얻을 수 있다. 그러나 단체로는 얻을 수 있는 음압이 그다지 높지 않기 때문에 높은 음압이 필요한 경우에는 초음파 트랜스듀서를 여러 개 배열해 이용하고 있으며, 파라메트릭 스피커 등에도 사용되고 있다.
오스미(大隅) 등은 이와 같은 초음파 트랜스듀서를 직경 300mm의 반원구 모양의 틀을 이용해 240개 설치하고, 중심 위치에 음파를 집속시켜 강력한 공중 초음파를 얻는 것을 하고 있으며, 입력 전력 30W에서는 집속점에서 음압 약 4kPa를 얻었다. 또한 이 초음파원을 이용해 평판 결함의 고조파 이미징도 하고 있다. 더구나 이와 같은 초음파 트랜스듀서 100개를 평판 상의 정사각형 모양으로 조밀하게 배열해 각 트랜스듀서의 위상을 컨트롤함으로써 음파를 근처의 한 점에 집속시키는 것도 하고 있다. 이 초음파원은 박판 결함의 고속 이미징 등에 사용되고 있다.
2. 변형 진동판형 공중 강력 초음파원
한편, 파워풀한 공중 초음파를 발생시키는 것으로 볼트 조임 랑주뱅(Langevin)형 종진동자(BLT)를 이용한 초음파원이 있다. 이것은 그림 2에 일례를 나타내는 것처럼 동 진동자에 진폭 확대용의 혼을 설치하고, 그 앞에 종진동 공진 주파수 조정용의 봉을 통해 직사각형·사각형이나 원형·원통형의 변형 진동판을 설치하는 것이다. 이들 음원은 종진동자에서 종공진봉까지의 부분이 각각 종진동의 반파장 길이가 필요하다. 여기서 변형 진동판을 이용하는 것은 큰 방사 면적을 가지고 또한 큰 진동 진폭을 얻을 수 있기 때문이며, 이것에 의해 공기 중에 큰 파워의 초음파를 방사할 수 있다.
3. 집속형 공중 강력 초음파원
이토우(伊藤) 등은 앞에서 말한 직사각형 변형 진동판형 공중 강력 초음파원에서 방사된 음파를 포물면 형상의 반사판을 이용해 반사시키고, 음파를 직선 모양으로 집속시키는 방법이나 근방의 한 점에 집속시키는 방법에 의해 매우 강력한 음파를 얻었다.
또한 미우라(三浦) 등은 볼록 끝단 구동 변형 진동판형 공중 강력 초음파원에서 방사된 음파를 긴 직사각형 모양의 반사판이나 L자형 반사판을 이용해 근방의 임의 위치에 방사 음파를 선 모양으로 집속시키는 방법을 나타냈다.
공중 강력 초음파 특유의 작용 및 이용
1. 공중 초음파에 의한 햅틱스
햅틱스(Haptics)는 촉각 기술이라고도 불리는 것으로, 사람에게 힘, 진동, 움직임 등을 부여함으로써 피부 감각을 얻는 기술이다. 초음파 진동체로부터 방사된 강력한 공중 초음파에 의해 기계적 접촉이 없는 비접촉 상태로 피부 등에 촉감을 얻을 수 있다. 호시(星)·시노다(篠田) 등은 공중 초음파 트랜스듀서를 평면 정사각형 모양으로 324개 배열해 각 트랜스듀서의 위상과 강도를 개별적으로 제어함으로써 근방에 음파를 집속시키고, 초음파의 비선형 효과인 음향 방사압을 이용해 손의 촉각을 자극하고 있다. 또한 사람의 피부 상에 있는 어느 점을 계속적으로 자극하는 경우, 단일 강도의 음파를 초점 위치를 고정한 채 시간적으로 변화시킨 경우보다도 초점 위치를 피부를 따라 미세하게 진동시킨 경우가 더 강한 촉각을 발생시킨다는 것도 나타냈다.
2. 공중 강력 초음파에 의한 비접촉 부양
초음파 부양은 초음파의 방사압에 의해 물체가 부양하는 현상으로 정재파 음장 음압의 마디(Node) 위치에서 부양하는 경우와 근거리장 초음파 부양이라 불리는 초음파 방사체의 극근방에서 물체가 부양하는 경우가 있다.
고즈카(小塚) 등은 초음파원과 오목면 반사판에 의해 형성된 정재파 음장 내에 음파의 파장에 비해 작은 폴리스티렌(Polystyrene) 공을 삽입해 음압의 각 마디 위치에서 부양시키고 있다. 또한 여러 개의 소형 초음파 트랜스듀서를 평면상에 배치한 지향성 초음파원을 3쌍 이용해 3차원의 정재파 음장을 형성하고, 초음파원 간의 위상을 바꾸어 부양하고 있는 폴리스티렌 공의 위치를 이동할 수 있는 것, 즉 초음파 머니퓰레이션(Manipulation)을 나타내고 있다.
호시 등은 페이즈드 어레이(Phased array) 공중 초음파원을 2쌍 이용해 3차원의 집속한 정재파 음장을 형성하고, 수많은 발포 폴리스티렌 공을 음압의 마디 위치에 포착해 그 위치를 3차원적으로 조작할 수 있다는 것을 나타냈다.
코야마(小山)·나카무라(中村) 등은 2개의 BLT를 이용한 변형 진동판형 초음파원과 평행 반사판을 이용해 정재파 음장을 형성하고, 판 사이에 삽입한 폴리스티렌 공의 부양 위치를 BLT의 구동 위상을 바꿈으로써 판 사이에 평행한 방향으로 이동할 수 있다는 것을 나타냈다. 또한 원 궤도에 의한 미소 입자의 비접촉 수송에 대해 검토하고 있으며, 여러 개로 분할한 압전소자를 원반에 붙여 입력 신호를 전환함으로써 부양 물체의 위치를 원호 모양으로 이동할 수 있다는 것을 보여주고 있다.
아오야나기(青柳) 등은 근거리장 초음파 부양을 이용한 평판 부양 물체의 비접촉 반송에 대해 검토하고 있으며, 여러 개의 진동원을 이용해 물체를 반송 및 회전시키는 것을 나타냈다.
3. 공중 강력 초음파의 공학적 작용
이하에서는 최근의 공중 강력 초음파에 의한 공학적인 작용을 이용한 몇 가지 이용법을 소개한다.
그 하나는 공기 중의 연무질 응집이다. 이것은 원통 형상의 변형 진동판으로부터 초음파를 방사하는 음원의 원통 내에 형성된 공중 정재파 음장을 이용하는 것으로, 배관 내의 일부에 이 초음파원의 원통 부분을 삽입함으로써 배관 내를 흐르는 연무질의 응집을 강력 공중 초음파로 촉진시키는 것이다. 이 방법의 특징은 배관과 동일한 직경의 초음파원을 이용하기 때문에 유체의 흐름을 방해하지 않는 것이다. 연무질로서 선향을 이용해 실험적으로 검토한 결과, 진동자에 대한 전기 입력 40W의 경우 응집률이 86%에 달하는 결과를 얻을 수 있었다.
또한 작은 초음파원을 이용한 작은 용량의 연무질 응집도 이루어지고 있으며, 진동자에 대한 전기 입력 6W로 60%의 응집률을 얻었다. 더구나 연속으로 흐르고 있는 PM2.5의 미립자 먼지에 공중 강력 초음파를 조사해 먼지를 응집시키고 먼지의 입자 지름을 크게 하는 것도 시도되고 있다. 검토 결과, 초음파가 강력하고 먼지의 농도가 높을수록 미립자의 수가 감소한다는 것을 알 수 있었으며, PM2.5의 입자 수에서 최대 88%의 삭감이 실현됐다.
다음으로 공중 강력 초음파를 이용한 젖은 물질의 건조 촉진이 있다. 이것은 그림 2에 나타낸 직사각형 변형 진동판형 초음파원을 2쌍 이용해 진동판면을 서로 마주보게 설치함으로써 판 간에 강력한 정재파 음장을 형성하고, 거기에 둔 젖은 시료의 건조를 촉진시키는 것이다. 건조는 정재파 음장 음압의 배(Antinode) 위치보다 마디의 위치에서 촉진되는 것을 알 수 있으며, 건조 시간은 진동자에 대한 전기 입력 30W의 경우, 음파 조사가 없는 것에 비해 약 7배 단축된다는 것을 알 수 있다. 또한 항률 건조 기간 중의 시료 온도는 음파가 없을 때의 온도와 거의 같으며, 시료의 온도를 상승시키지 않고 건조를 촉진할 수 있는 이점이 있다.
또한 내경 2mm, 길이 20mm의 길쭉한 원형관 중에 있는 액체에 대해, 그 한쪽 끝에 집속 초음파를 조사해 관 내의 액체를 순식간에 제거할 수 있는 것도 나타내고 있다.
이외에도 변형 진동판형 공중 강력 초음파원의 변형 진동판에 물을 직접 떨어트려 그 진동에 의해 물을 순식간에 미립화하는 방법도 검토되고 있다. 이 방법에 의하면, 진동자에 대한 입력 전력 20W로 적하 수량 50ml/min의 물 전부가 미립화된다는 것을 알 수 있었다.
최근의 강력 초음파 발생과 이용 동향
1. 혼 진동판 일체형 공중 강력 초음파원
앞에서 설명한 바와 같이 공기 중에 강력하고 대용량의 초음파를 방사하기 위해서는 큰 진동 면적과 큰 변위 진폭이 필요하다. 그러나 공중 강력 초음파를 액체 방울의 비접촉 미립화 등에 이용하기 위해서는 한정된 공간에 강력한 정재파 음장을 얻을 수 있으면 된다. 이를 위한 음원으로서 음파의 방사와 정재파 음장의 형성을 일체화한 음원이 개발되고 있다. 이것은 1개의 BLT를 이용해 평행으로 설치한 2장의 변형 진동판 사이에 정재파 음장을 형성하는 음원이다. 이 음원을 이용해 비접촉으로 물방울 등의 미립화를 순식간에 할 수 있다는 것을 알았다. 그러나 이 음원도 종진동 방향으로 2파장만큼의 길이가 필요하기 때문에 크다.
또한 그림 2에 나타낸 초음파원은 종진동의 진동축 방향과 수직한 방향에 변형 진동판을 설치하고 있어 종진동 방향과 수직 방향의 양방향에 어느 정도의 공간이 필요하다. 이 음원은 큰 파워의 초음파를 공중에 방사할 수 있는 이점이 있지만, 큰 형상인 것이 어려운 점이었다.
미우라(三浦)는 가능한 한 콤팩트하면서 공기 중에 강력한 정재파 음장을 형성하는 초음파원을 개발하고 있다. 그것은 그림 3에 나타낸 것과 같이 BLT와 초음파 방사체로 구성된 음원으로, 초음파 방사체는 진동자 접속부, 진동 진폭 확대용 코니컬 혼(Conical horn), 2장의 변형 진동판으로 이루어진다. 이들이 일체 구조로 되어 있으며, 종진동의 거의 1/2파장의 길이면 된다. 이 초음파원은 그림 4에 나타낸 시뮬레이션 해석 결과와 같이 변형 진동 부분에서 큰 가로 방향의 진동을 얻을 수 있기 때문에 2장의 진동판 사이에 정재파 음장을 형성할 수 있고, 진동판의 간격을 공기 중의 음파 파장의 정수배로 함으로써 판 사이에 강력한 정재파 음장을 얻을 수 있다.
그림 5는 주파수 약 28kHz의 경우로, 마이크로폰을 사용해 진동판 사이의 y-z 평면의 음압 분포를 측정한 것이다. 그림으로부터 y축 방향으로 2파장만큼의 강력 정재파 음장이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 이 초음파원은 입력 전력이 10W일 때, 정재파 음장의 음압 배 위치에서 음압이 3.4kPa(음압 레벨 약 165dB) 얻어지고 있으며 매우 높은 값이다. 이 공중 강력 초음파원은 액체의 비접촉 안개화(미립화) 등에 적합하다고 생각한다.
2. 소형 공중 강력 단일 지향성의 초음파원
초음파를 발생시키기 위해 이용하는 BLT는 얻을 수 있는 변위 진폭이 작기 때문에 공기 중에 강력한 초음파를 발생하기 어렵다. 따라서 큰 진폭을 얻기 위해 진폭 확대용 혼을 설치하는데, 방사 면적이 작아진다. 이것을 해결하기 위해 원래의 진동자와 동일한 방사 면적을 가지면서 큰 변위 진폭을 얻을 수 있는 음원이 개발됐다.
그것은 그림 6에 나타내는 것과 같이 원통 형상의 BLT에 타원 구덩이를 가진 진동부를 가지는 형상으로 진동부의 끝에 원형의 초음파 진동면(방사면)을 가지는 것이며, 소형의 단일 지향성을 가진 공중 강력 초음파원이다. 이것은 BLT 일체형 초음파원으로, 전체 길이는 BLT 단체의 길이보다 약간 긴 정도이다. 그림에 나타낸 것은 구동 주파수 38kHz로 직경 15mm(플랜지부를 제외), 전체 길이 60mm 정도이다.
그림 7은 진동자에 대한 입력 전류를 50mA 일정하게 해 측정한 원형 진동면의 진동 변위 진폭의 분포이다. 그림으로부터 진동 변위 진폭은 중심 부근이 작지만, 외주에 가까워짐에 따라 갑자기 커지고 있어 외주 위치와 중심의 변위 진폭의 비율은 약 13배였다. 그림 8은 초음파 방사면에서 방사된 음파의 음압 분포를 마이크로폰으로 측정한 결과이다. 그림의 컬러 바는 마이크로폰 출력 전압의 최대값을 1로서 규격화한 값으로, 음파의 음압 분포를 보기 쉽게 하기 위해 로그로 나타내고 있다. 그림으로부터 메인 로브(Main lobe)가 수직 방향으로 강하게 방사되고 있으며, 사이드 로브(Side lobe)가 양측에 있다는 것을 알 수 있다. 방사면에서 수직 방향 300mm의 위치에서 얻을 수 있는 음압은 입력 전력 9W에서 음압 580Pa(음압 레벨 149dB)의 매우 높은 값을 얻을 수 있어 초음파 센서 등의 이용이 고려되고 있다.
맺음말
지금까지 설명한 바와 같이 공중 강력 초음파의 이용은 여러 방면에 걸쳐 있는데, 여기서 소개한 것은 그 일부이다. 공중 강력 초음파는 상당히 큰 음압이므로 그 사용에 있어서는 인간에 미치는 영향, 특히 청각에 미치는 영향에 대해 충분히 고려해야 하며, 이에 관한 검토도 진행하고 있다.
마지막으로 공중 강력 초음파는 아직 개발되지 않은 부분이 많이 남아 있으며, 이들 기술이 꾸준히 발전할 것으로 생각된다. 앞으로 이들 기술의 활용이 점점 더 발전해 지금까지 없던 새로운 이용법이 나타나기를 기대하고 있다.
