[재미있는 전기이야기] 스피드건은 어떻게 동작할까

자동차를 운전하는 사람이라면 확트인 도로를 보고 맘껏 달려보고 싶은 충동을 느꼈던 경험이 누구나 한번쯤은 있었을 것이다. 한편으로는 이런때 불쑥 나타나는 과속 단속 경관의 스피드건이 야속하게 느껴지기도 한다.

그렇다면 스피드건은 어떻게 빨리 달리는 자동차의 속도를 정확하게 측정할 수 있을까?

그 답은 가까운 곳에서 찾을 수 있다. TV를 보다보면 동물의 생태를 다룬 다큐멘터리에서 박쥐와 돌고래가 종종 등장한다. 이들의 공통점은 초음파를 발생시켜 사물을 판단하며 살아가는 동물이라는 것이다. 스피드건 역시 이들처럼 초음파를 발생시켜 자동차로 부터 반사되는 파를 검출하여 속도를 측정한다.

초음파(超音波)란 가청주파수(가청주파수:可聽周波數)보다 높은 주파수를 말한다. 소리는 주파수에 따라 달라지며 사람의 목소리도 주파수에 따라 다르다. 40[Hz]는 아주 저음이고 18[KHz]는 소프라노에 해당되는 음이다. 개인에 따라 다르지만 인간이 들을 수 있는 주파수에는 한계가 있어서 대략 40[Hz]에서 20[KHz]까지 들을수 있다. 시력이 약한 박쥐의 경우, 이 초음파가 눈의 역할을 대신한다. 박쥐는 벌레를 잡거나 자세를 취하기 위해 초음파를 발생 반사되어 돌아오는 신호를 감지하므로써거리를 판단하고, 물체의 형태까지도 파악하는 것으로 알려져 있다.

이러한 초음파는 초음파 진동자와 초음파 발생기를 이용하여 만들 수 있다. 초음파 진동자는 초기에는 치과용 스케일러에 주로 사용되는 니켈 진동자를 사용하였으나 요즘은 수정 진동자를 사용한다. 최근에는 초음파 발생기로 반도체 소자를 사용하고 있다.

우리 인간도 박쥐와 비슷한 용도로 초음파를 사용하고 있다. 바로 음파탐지기(소나·sonar)이다. 조그만 어선에서부터 최첨단 잠수함까지 바다 속의 물체와의 거리나 형태를 파악하거나 신호를 주고 받을 때 사용한다. 일반적으로 공기 중에서 사용하는 전파는 고주파(高周波) 또는 초고주파(超高周波)로써 수중에서는 흡수된다. 그러므로 조금 낮은 주파수를 갖는 초음파를 이용하고 있다. 태아의 움직임을 관찰할 수 있는 초음파 진단기 또한 이러한 원리를 이용하는데 보통 3∼10[MHz]대의 음파를 복부에 주사하여 반사되어 돌아오는 시간을 분석 모니터 상에 이미지로 나타나게 한다.

이외에도 초음파는 여러 용도로 이용되고 있다. 안경을 세척하는 초음파 세척기는 초음파를 액체 중에 발사하여 불순물을 제거한다. 초음파는 수축과 팽창을 반복하며 파동이 액중으로 전파, 액체 분자의 응집력을 파괴시켜 수천만개 이상의 미세한 물방울이 발생한다. 이것은 케비테이션(cabitation)라 불리는 현상으로, 이 물방울이 폭발하면서 강력한 에너지를 방출한다. 이 에너지로 세척하기 힘든 금속이나 미세한 부분에 붙어 있는 불순물들을 떼어낸다. 더욱 강한 에너지의 초음파는 산업용으로 사용되어 플라스틱이나 금속을 깨끗하게 붙이거나 자르는데 이용되고 있다.

/한병성(전북대 교수)