소리 총알

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-04-26

“뉴턴의 진자”라는 매력적인 장난감에 영감을 받은 캘리포니아 공과 대학 연구진은 ‘소리 총알’이 녹음된 높은 진폭의 음향 신호를 산출하는 비선형 음향 렌즈라는 장비를 구축했다. “음향 렌즈와 더불어 고체에서 뿐만이 아니라 공기나 물같은 액체에서도 존재할 수 있는 소리 총알은 의료 영상과 물질의 비파괴 평가 치료 그리고 공학 시스템과 같은 응용 혁신에 잠재력을 가지고 있다.”라고 캘리포니아 공과 대학 항공 및 응용 물리학 조교수이자 Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)에 최근 게재된 논문의 교신 저자인 Chiara Daraio가 말했다. Daraio와 이 논문의 최초 저자인 Alessandro Spadoni는 21개의 스테인리스 스틸의 병렬 체인을 배열한 후 이것을 조립하여 음향 렌즈를 만들었다. 다른 모양의 탄성 물질로 구성된 입자도 사용 가능하다고 Daraio는 덧붙였다. 이 장비는 뉴턴의 진자 장난감과 유사한데 똑같이 생긴 공이 전선에 의해서 틀에 매달려 있으며 오직 단일 면에서만 이동하며 서로 살짝만 부딪치게 되어 있다. 만약 맨끝에 있는 공이 뒤로 당겨져서 놓아지면 이것은 같은 선에 있는 다음 공을 치게 되고 반대편 맨 끝에 있는 공이 바깥으로 튕겨져 나간다. 중간에 있는 공들은 정지한 듯이 보이나 사실 그렇지 않다. 왜냐하면 이 시스템에는 비선형 역학이 작용하기 때문이다. Daraio와 Spadoni의 음향 렌즈에 있는 입자 체인은 뉴턴의 진자를 좀 더 길게 한 것과 비슷하다. 렌즈에서, 펄스는 부딪치는 충격으로 끝이 자극을 받게 되고 비선형 파가 각각의 체인내에서 생성된다. “이러한 체인은 고도의 비선형 음향 도파관의 간단한 표현이며 움직이는 음향 신호의 모양과 그들의 전파 속도을 조정하기 위하여 접촉하는 입자의 속성을 이용한 것이며 고립파로 알려진 소형 음향 펄스를 창출한다. 연못 속으로 떨어진 조약돌이 만들어내는 물결 파와는 달리 고립파는 고립된 장소에 존재할 수 있으며 다른 파에 의해서 따라가기도 앞서 가지도 않는다.”라고 Daraio가 말했다. “고립파는 항상 주어진 시스템내에서 같은 공간적 파장을 유지한다. 그리고 현재 가능한 기술이 산출해내는 어떠한 신호와 같지 않게 렌즈 안에서 어떠한 왜곡도 없이 매우 높은 진폭을 가진다.”라고 Daraio가 말했다. 체인은 낚싯줄을 이용하여 서로 붙어 있게 조여지거나 압축된다. 압축력을 변화시킴으로써, Daraio와 Spadoni는 고립파의 속도를 변화시킬 수 있었다. 이러한 일련의 파가 배열에서 벗어날 때, 그것들은 어떠한 특정 지점, 초점, 대상 물질(가스나 공기, 액체 또는 고체)에서 합체한다. 특정 지점에서 고립파의 중첩은 매우 작으면서도 큰 진폭 음향 파장을 가진 소리 총알을 형성한다. 시스템의 매개 변수를 변화시키는 것은 또한 소리 총알의 속사 사격을 산출해낼 수 있다. 현재 설계에서, 구는 각각의 줄이 독립적인 2차원 배열로 조립된다. “3차원 배열은 쉽게 만들어질 것이며 소리 총알의 외관 및 여행 경로의 3차원 제어가 가능할 것이다.”라고 Spadoni가 말했다. “우리 렌즈는 선형 매질에서 작은 부피에서 큰 진폭 신호를 생성하는 능력을 보여주고 있으며 또한 초점의 위치를 역동적으로 제어할 수 있게 해준다. 우리가 하는 모든 일은 구 각각의 체인을 위한 압축을 조정하는 것이다.”라고 Daraio가 말했다. 이 의미는 초점의 위치를 변경하기 위하여 렌즈의 기하학적 구성 요소를 변화시킬 필요가 없다는 뜻이다. 이러한 단순한 조정은 소리 총알이 다양한 응용에 적응하는 것을 쉽게 만든다. “초음파 검사를 해보았던 사람들은 신체내의 검사하고자 하는 위치와 특징에 따라서 프로브를 전환하는 검사자를 지적한다. 우리가 제안하는 음향 렌즈는 부품 교체를 할 필요가 없으며 단지 각 체인의 압축을 간단히 조정하기만 하면 된다.”라고 Daraio가 말했다. Daraio와 Spadoni에 의해서 만들어진 음향 렌즈는 개념을 증명하려고 시도되었으며 아마도 상용화되기 위해서는 많은 시간이 걸릴 것이다. “실용적인 사용을 위해서는 각각의 체인에 고정 압축을 제어하는 설계가 개선되어야 한다. 예를 들면, 기계적인 영향보다는 전자적인 면을 강조하는 설계가 현재 실험실에서 연구 중이다. 그래도 이 장비는 기존의 의료 초음파 영상의 안전성과 명확성을 능가하는 잠재력을 가지고 있다. 음향 렌즈에 의해서 생산되는 펄스는 그 규모의 크기에 좀 더 초점을 맞추고 있으며 기존의 음향 장비가 만들어낼 수 있는 것보다 그 규모에서 더 큰 진폭을 가지고 있다. 소음의 나쁜 효과를 줄이고 초점의 선명한 영상을 생산해 낸다. 그것들은 또한 낮은 진폭의 펄스보다도 더 멀리 그리고 더 깊게 인체 내를 여행할 수 있다. 흥미로운 것은, 이 장비가 수술 메스의 사용없이 가정에서도 인체내의 깊숙한 곳에 자리한 위험한 암 조직을 파괴할 수 있다는 것이다. “고열 치료와 같은 의료 절차는 신체의 일부 조직에 온도를 증가시켜서 치료를 한다. 이것은 종종 작은 부위에 높은 에너지의 음향 신호를 집중시켜서 하며 초점 지역의 상당한 제어를 요구한다. 그래서 건강한 조직이 손상되거나 가열되지 않도록 한다. 이 렌즈는 고열 기술의 발전에 도움을 줄 수 있는 매우 작은 초점 지역을 생산해 낸다. ”라고 Daraio가 말했다. 또한 소리 총알은 비파괴적인 검사 방법을 제안하며 다리나 배의 외관, 비행기 날개같은 불투명한 물체의 내부 균열이나 결함을 분석한다. “오늘날 음향 장비의 성능은 그것들의 선형 작동 범위에 의해서 감소되며 이것은 초점의 정확성이나 초점 지점에서 얻을 수 있는 진폭을 제한한다. 이 새로운 비선형 음향 렌즈는 기존에 얻을 수 있는 것보다 훨씬 높은 에너지를 가진 소형 음향 펄스을 생성하는 비선형 효과의 능력을 제안한다.”라고 Daraio가 말했다. 출처 : http://www.physorg.com/news191089256.html