초음파의 원리 > Technical support

1. 초음파의 원리

1) 음파와 파동

음파는 공기 중이나 수중, 금속 등을 통하여 전달되는 종파인 소멸파를 말 한다. 공기 중의 음파는 공기가 팽창했다가 압축 했다 하는 공기의 운동으로 전파되는 파동이다. 따라서 아무것도 없는 진공 중에서는 음은 전해지지 않는다. 이 음파에 대해서 우리인간의 귀에 의한 감각을 음, 즉 소리라 말하고 그 음파를 가청음 이라고 말 한다. 그 음파의 범위를 물리적 현상으로 표현하면 통상 20Hz에서 20KHz까지의 주파수의 음파를 가청음이라고 말 한다. 그러나 이것은 인간의 연령, 성별, 환경. 개인차등 여건에 의해 차이가 있다.

2) 초음파

초음파(超音波)의 정의에 대해서는 여러 가지 설이 있지만 일반적으로

⌈인간의 귀에 들리지 않는 정도 주파수의 높은 음⌋을 초음파라고 하고 있다.

그러나 최근 기술적 응용에 사용되는 초음파의 정의(定義)로 듣는 것을 목적으로 하지 않는 음파를 초음파라고 정의하기도 한다.

이 초음파의 특징을 간략히 말하면 초음파는 기체 중에서는 감쇠(傳搬損失)가 크다. 일반적으로 음파의 감쇠특성은 매질(기체, 액체, 고체)의 상태와 음속에 영향을 받는다. 즉 액체에 비해 기체주의 감쇠는 현저히 크다.

또 기체와 액체 중에는 종파(從波)만 전해지나 고체 중에는 종파뿐만 아니라 진행방향에 대해서 횡 방향으로 진행하는 횡파(橫波)도 전달되며 표면파도 존재한다. 이러한 초음파의 특성을 응용하여 항공우주, 해양, 의료, 각종산업, 계측, 첨단산업, 군사 등 광범위하게 이용 되고 있으며 사용 목적에 따른 응용 범위는 날로 넓어지고 있다.

3) 초음파 세척의 기술적인 사항

초음파 세척의 원리는 그림 4 과같이 초음파의 음압 효과와 캐비테이션 효과의 2가지로 나누어 볼 수 있다.

캐비테이션에 의한 효과는 기포의 진동에 의한 교반 효과와 기포의 폭발에 의한 기계적, 화학적, 열적효과로 나누어 볼 수 있다.

< 그림 5 > 캐비테이션에 의한 세척과정

캐비테이션에 의해 오염이 제거되는 과정은 다음과 같다. 그림 5 (a)와 같이 캐비테이션 기포가 폭발하여 오염물질 사이에 틈을 만들고 (b)와 같이 그 틈으로 기포들이

침투하여 폭발함으로써 완전하게 오염물질을 탈착시키게 된다.

4) 캐비테이션 현상

액체내에 강력한 초음파를 조사하면, 초음파는 압력파가 되어 그림 6에 나타낸 것처럼 압축력(정압)과 팽창력(부압)이 반복적으로 나타나게된다. 부압 주기 때에 액중의 미세한 이물질을 중심으로 기포가 발생되고, 이 기포는 다음의 압축주기 때에 소멸하게 된다. 이러한 기포는 1 초에 수만번씩 생성, 소멸을 거듭하면서 점점 입경이 커지게된다. 어느 일정 입경이상이 되면 이 기포는 단번에 수축 폭발하면서 매우 큰 충격파를 일으키게 된다. 이 충격파는 큰 압력을 발생시킴과 동시에 순간적인 고열을 일으켜 액체내의 여러가지 물리 화학적인 작용을 일으키는 원동력이 된다. 예를 들면, 증류수 내에서 일어나는 산화 환원반응은 캐비테이션이 그 원인인 것으로 알려져 있다.

(1) 캐비테이션 임계값

캐비테이션 발생이 시작될 때의 액체압력을 임계값이라고 한다. 이 값은 실험조건에 따라 다르고, 특히 액체의 물리적, 화학적인 성질에 많은 영향을 받는다. 캐비테이션 발생시점의 기준에 대해서도 여러 가지의 의견이 있지만 강력초음파 응용에서는 눈으로 보아 캐비테이션 기포가 발생하는 시점으로 규정한다. 실험에 의하면 그 임계값은 물의 공기 함유량에 따라서 변한다. 즉 공기의 량이 포화치의 5%보다 많을 경우에는 공기의 함유량이 임계값을 결정하고, 5%이하인 경우에는 공기함유량에는 큰 관계없이 다른 요인들에 의해 결정된다. 물에 공기가 포화 되었을때 캐비테이션 임계값은 주위의 정수압과 거의 동일하다.

(2) 초음파 주파수와 캐비테이션 발생

초음파 주파수와 캐비테이션 발생에 관한 실험에 의하면 5kHz이하에서는 주파수에 관계없이 캐비테이션을 일으키는 음의 강도는 일정하다. 10kHz이상에서는 필요한 음의

강도가 점점 커지며 100kHz이상에서는 아주 커지게 된다. 주파수가 높을수록 더 높은 파워( 음의 강도 )가 요구되는 이유는 주파수가 높을수록 기포가 충분히 커질 수 있는

시간적인 여유가 점점 줄어들기 때문이다.

<그림 6> 캐비테이션발생 설명도

실용적으로 캐비테이션을 효과적으로 이용하려면 수십kHz대의 것을 사용하는 것이 좋다.

(3) 기포의 수축과 온도상승

기포가 초음파의 압력을 받아 수축할 때 기포의 내부는 고온상태가 된다. 이론적으로 계산하면 수천도까지 되지만 실제로는 방열등에 의해 온도상승이 크지않다. 그러나 순

간적으로는 고열이 발생한다는 것을 알 수 있다.

(4) 기포의 수축과 압력상승

기포가 수축되면 기포내부의 압력은 상승한다. 이론적인 계산에 의하면 기포의 최대 압력은 물의 경우에 4000기압 이상이 된다. 실제로 이 압력을 측정할 수는 없지만 대

략 수십 기압 에서 수천 기압 정도일 것으로 추정된다.