[수요일엔 바다톡톡] [물 속에서의 의사소통:초음파의 비밀 대구과학고등학교 김종수 교사 해양수산부,한국해양재단,DGWISE 대구경북여성과학기술연회] [물속에서의 의사소통:초음파의 비밀 대구과학고등학교/김종수] 저는 오늘 첫 강연을 맡은 도입강연을 맡은 대구과학고등학교의 물리교사 김종수라고 합니다 조금 제가 첫 강연이라고 맡게 돼서 조금 많이 긴장도 되고 그러는데요 특히나 오늘 오시는 분들의 그 이제 언뜻 이렇게 봐서도 이제 초등학교 학생들부터 이제 연세가 있으신 분들까지 너무 스펙트럼이 너무 다양해서 제가 조금 어디에 수준을 맞춰서 해야 될지 조금 걱정은 됩니다 그래서 최대한 쉽게 풀어서 말씀드리려고 할 겁니다만 혹시나 중간에 이해가 안 되는 부분이 있다거나 말이 너무 빠르다 싶으시면은 바로 멈추셔도 됩니다 그럼 조금 더 제가 천천히 말씀을 드리도록 하겠습니다 자 오늘 제가 여러분들께 말씀드릴 거는 물속에서 의사소통 초음파의 비밀에 대한 얘기를 같이 나눠보려고 하는데요 [물속에서의 의사소통:초음파의 비밀 전파의 이용 - 전파(라디오파,Radio Wave) - TV,라디오,무선통신 등에 사용 - 공기 중에서 빛의 속도로 전파됨] 앞에 보시면은 그 이제 기호 앞에 기호를 보시면은 여러분들 많이 쓰시는 겁니다 핸드폰에서 항상 보시는 기호죠 저 무슨 기호예요 학생 혹시 초등학생 몇 학년 여학생 몇 학년이에요? 세 번째 한 분? 4학년이요 저 앞에 무슨 기호예요? 맞아요 와이파이 기호예요 우리가 와이파이는 뭐 할 때 쓰는 거예요? 무선으로 정보를 주고받기 위해서 전자기파라고 하는 정보를 주고받기 위해서 우리가 저 무선망을 킵니다 우리가 공기 중에서 정보를 전달하고 받고 보내고 할 때는 저런 와이파이 형태의 전파의 형태로서 주고받는데요 신호를 저렇게 주고받는데 전파라고 하는 건 흔히 우리가 라디오파, 전자기파의 일종인 라디오파라고도 얘기를 합니다 우리가 라디오를 듣는 것도 사실은 저것과 같은 원리라고 생각하시면 돼요 그런데 저 전파는 TV나 라디오 등 무선통신에 우리가 사용해서 공기중을 통해서 정보를 주고받는데 가장 유용하게 쓰이는 수단 중에 하나입니다 그런데 저 녀석의 속도가 어떻게 되냐면 여러분들이 잘 친숙하게 알고 있는 빛의 속도와 같습니다 우리가 빛이라고 하는 것은 굉장히 빠르죠 그게 얼마만큼 빠르냐 하냐면 초당 30만 KM 그러니까 조금 감이 안 오실 건데 1초에 지구 7바퀴 반을 돌 수 있는 속력으로 도는 게 빛의 속력이거든요 그런데 그 빛의 속력으로 빛의 속력과 똑같이 전파가 전달이 됩니다 공기 중에서 결국은 어떤 얘기를 할 수 있냐면 저 전파도 빛의 일종이다 라는 얘기를 할 수가 있겠죠 더 엄밀하게 얘기를 하면 전자기파라고 하는 파동의 일종인데요 전자기파 안에 빛도 있고 전파도 있고 엑스레이도 있고 여러 가지 종류가 있습니다 그런데 왜 이 전파 얘기를 하냐면 [물속에서의 의사소통: 초음파의 비밀 전파와 음파의 속도차이 - 번개와 천둥은 항상 같이 느낄까? - 번개 빛과 천둥 소리의 간격이 3초라면 천둥번개가 일어난 지점까지의 거리는?] 오늘 얘기할 음파하고 구분을 해서 얘기를 하려고 도입으로 가져왔는데요 우리가 오늘 다루고자 하는 건 음파, 그중에서도 초음파입니다 여러분들이 초음파 하면 음파하고 구분을 잘 못하시는 것 같은데 그냥 음파예요 다만 초음파라고 하는 건 내 귀에 들리지 않는 음파일 뿐입니다 그 얘기는 조금 이따 하도록 하고요 어찌 됐든 음파라고 하는 것과 전파라고 하는 것은 엄연히 얘네들의 속도가 차이가 납니다 앞에 보시면 그림이 보이는데요, 사진에 번개빛이 번쩍이는 게 보일 겁니다 이 번개빛이 번쩍이는 것을 여러분들이 가만히 생각을 해보면 이런 현상을 발견할 수 있어요 번개와 천둥이 항상 같이 칠까 하는 것을 고민해 본 적 있으신지 학생들은 혹시 고민해 본 적 있는지 잘 모르겠어요 우리가 번개빛을 보게 되면 빛이 먼저 보이고 조금 있다가 콰콰콰 하는 천둥소리가 들립니다 우리가 천둥이라고 하는 소리를 듣는 거는 음파를 듣는 거고요 내 귀로 그 다음에 번개빛을 보는 건 빛을 내 눈으로 받아들이는 거거든요 그런데 왜 그게 두 개가 차이가 나냐 분명히 번개빛과 천둥은 같은 지역에서 일어났거든요 그런데 왜 내 눈과 귀는 다르게 느끼냐 속도 차이가 있기 때문에 그렇습니다 우리가 빛은 금방 제 눈으로 들어옵니다 1초에 지구 7바퀴 반을 도는 녀석이 제 눈에 들어오는데 시간이 얼마나 길게 걸리겠어요? 금방 들어오죠 치자마자 제 눈에 들어옵니다 그런데 생각해보면 번개빛이 빵! 친 다음에 딜레이가 좀 있는 거예요 한 3초 뒤에 1, 2, 3 그런 다음에 천둥소리가 꽝꽝꽝 난다 그러면 그 천둥번개가 어디서 친 거냐라고 얘기할 수 있냐면 우리로부터 1KM 떨어진 지역에서 난 천둥, 번개다 라고 예측할 수가 있습니다 제가 습관적으로 저희 아이들을 데리고 이제 천둥, 번개를 보게 되면 저도 모르게 애의 손을 잡고 번개빛이 난 그 순간부터 마음속으로 셉니다 하나, 둘, 셋 길 면 길수록 멀리서 나는 거니까 멀리서 나는 거기 때문에 우리한테서부터 멀리 떨어진 안전한 지역이라고 볼 수 있어요 왜냐하면은 음파의 속력은 초당 330M 밖에 못 가거든요 그러니까 우리 귀에 3초 뒤에 들렸다는 얘기는 330m/sec 곱하기 3초 결국 990M 약 1KM 정도 떨어진 지역에서 발생한 천둥번개이기 때문에 사실은 우리하고 상관없는 얘기다 라는 겁니다 무슨 얘기냐면 번개빛하고 천둥소리의 차이가 시간 간격이 길면 길수록 안전하다는 얘기입니다 자 그러면 당연히 여러분들 음파는 속력이 느리기 때문에 공기 중에서 사용하기에는 적절하지 않겠죠 그래서 사실은 우리가 [물속에서의 의사소통:초음파의 비밀 바닷속에서 보는 빛의 구멍: 스넬의 창 - 스넬의 창은 수심이 깊어질수록 커질까? - 빛(전자기파)은 물 속 어디까지 들어갈 수 있을까?] 공기 중에서는 거의 통신수단으로는 사용하지 않는데요 이것의 성질에 대한 것을 좀 더 재미있게 풀어보고자 바닷속에서 관찰할 수 있는 빛의 구멍, 우리가 스넬의 창이라고 얘기를 하는데요 제가 과학고등학교에서 연구활동을 학생들을 데리고 한 것 중에 하나인데요 여러분들이 한 번도 느껴본 적 있는지 모르겠는데 바닷물 속에 들어가서 심지어는 수영장에서도 이런 일을 관찰할 수 있는데요 바닷속이나 물속 깊숙이 들어가서 천장 쪽을 바라보게 되면 유심히 보시면 제 눈에 보이는 위의 구멍이 빛의 구멍이 동그란 것을 알 수가 있습니다 그게 일종의 전반사의 원리라고 해서 굴절의 원리를 이용한 전반사의 원리인 스넬의 창이라고 하는 빛이 들어오는 구멍이 원형 창으로 보인다라는 것인데요 이게 생각해보면 빛이 들어오는 것이 그 원형을 통해서밖에 들어오지 않는다라는 건데요 이게 바닷속 깊숙이 들어가면 들어갈수록 창이 되게 작아지거든요 원래는 이론적으로는 커져야 돼요 왜냐하면 각도가 일정하기 때문에 각도는 일정한데 깊이 들어가면 깊이 들어갈수록 반지름이 커지기 때문에 원래는 창의 크기가 커져야 되는데 원형 창의 크기가 커져야 되는데 이게 오히려 줄어듭니다 생각해보면 너무 당연한 게 바닷속 깊숙이에서 보이는 빛의 구멍이 크면 얼마나 좋겠습니까? 바다 생물이 살기가 너무 좋겠죠 빛을 받고 살기 그런데 실제로 그런 일은 없고요 그 이유가 왜 그러냐면 빛이 물속에 들어가면 흡수되는 것이 빠르기 때문에 그렇습니다 결국은 물속에서는 빛이나 전파 같은 어떤 파동은 흡수가 금방 되기 때문에 멀리 가서 전달이 안 된다라는 겁니다 [물속에서의 의사소통:초음파의 비밀 물에 의한 빛의 흡수 - 푸른빛이 가장 깊이까지 투과됨 - 전자기파를 이용한 통신이 불가능함 - 물속에서 음파는 거의 흡수되지 않음] 그러면 이거를 물에서 빛이 어떻게 흡수되는가를 나타낸 그림인데요 가만히 보면 푸른빛이 제일 깊게 들어간 게 얼마 정도 들어가냐면 기껏 해봐야 37 .5M, 40M 정도밖에 안 들어갑니다 다른 빛은 심지어는 거의 들어가지도 않고요 그래서 우리 눈에 바닷빛이 푸르게 보이는 이유이기도 한데요 그런데 결국은 40M 아래로는 거의 가시광선이 도달하지 않는다라는 얘기예요 빛이 도달하지 않는다는 겁니다 그러면 물속에는 우리가 해저의 물속에는 얼마나 깊이 들어갈 수 있냐라고 물어보면 깊이 들어가려면 10KM까지도 들어갈 수 있거든요 그런데 거기서는 어떻게 통신을 주고받아야 할까요? 잠수함들이 통신을 주고받아야 되는데 빛을 쓸 수가 없는 겁니다 그러면 그걸 위해서 이제 이용하는 [물속에서의 의사소통:초음파의 비밀 사회적 동물 돌고래 - 무리지어 생활하는 사회적 동물 - 음파를 이용하여 의사소통 - 진동수 2000Hz~200,000Hz의 초음파까지 인지할 수 있음] 돌고래가 자주 사용하는 초음파에 대한 얘기를 해보려고 하는 겁니다 우리가 돌고래라고 하는 것은 흔히 사회적 동물이라고 알려져 있는 수중생물 중에 하나인데요 이 수중생물은 바닷속에서도 초음파를 이용해서 근처에 있는 동료와 그 근처라는 게 아주 가까이 있는 게 아니고 수 킬로미터 떨어져 있는 돌고래에게도 신호를 전달할 수 있고 그 돌고래에서부터 받는 신호를 받아들일 수도 있습니다 심지어는 내 주변의 지형이 빛이 없이도 어떤 지형으로 이루어져 있는지 장애물을 어떻게 피해갈 건지 돌고래는 전부 다 초음파를 가지고 인식을 합니다 그 초음파라고 하는 것이 이유가 음파는 물속에서는 거의 흡수되지 않기 때문에 그래요 여러분들이 이제 물속에서 음파가 소리가 흡수될 거다라고 착각하시는 분들이 많은데 오히려 소리는 물속에서 더 빠릅니다 아까 공기 중에서는 330m/sec라고 했는데요 그것의 한 4배 정도의 속도인 1500m/sec의 속도로 전달됩니다 그러니까 무슨 얘기냐면 1초에 1 .5KM 정도 가는 속도다 라는 겁니다 그래서 사실은 수중에서는 전부 다 이런 초음파를 사용한다는 거 알고 계시면 되고요 이 초음파라고 하는 것은 제 귀에 들리지, 사람 귀에는 들리지 않아요 그래서 이게.. 실제로는 돌고대는 초음파를 발사하고 있지만 사람들은 인지하지 못합니다 제가 원래는 오늘 온 학생들이 혹시 초등학생들이라면 여러분들이 얼마나 들을 수 있나 가청 주파수를 한번 테스팅을 해보려고 했는데 우리가 사람이 들을 수 있는 주파수가 한정이 있거든요 좀 이게 걱정이 됩니다 이게 약간 시끄러우실 수 있을까 봐 걱정이 되는데 너무 말만 하면 지루해하실 것 같은데 혹시 해도 괜찮으세요? 해봐도 될까요? 너무 시끄러우시면 끌게요 제가 제가 갖고 있는 앱 중에 하나인데요 헤르츠를 바꿔서 헤르츠라고 하는 건 초당 몇 번을 떨리는지를 테스팅할 수 있는 건데요 많이 크지는 않습니다 지금 들으시는 게 342Hz짜리 소리입니다 이 소리가 342Hz 소리입니다 그런데 이걸 계속 키우다 보면은 줄여서 실험할게요 너무 크면은 이 정도면 들리시죠 너무 크지도 않죠 제가 이거 올려보겠습니다 한 1000Hz 올려볼게요 1000Hz 잘 들리시죠 이게 진동수가 커지면 되게 듣기가 싫습니다 더 줄일게요 올려볼게요 열심히 올리다 보면 10,000Hz정도까지 갔습니다 소리가 들리시나요? 벌써 안 들리시면 안 되는데 아이들은 잘 듣습니다 아이들은 귀가 굉장히 아이일수록 가청 주파수 대역대가 높거든요 그런데 사람이 들을 수 있는 게 사실은 보통 이제 아이들은 거의 2만 Hz까지 들을 수 있고요 참고로 지금 제가 1만 5천 헤르츠로 만들었거든요 이거 들리시는 분 손 들어보세요 아이밖에 못 듣습니다 거의 아이밖에 못 듣습니다 네 그렇습니다 이 정도가 됩니다 그래서 보통 우리가 옛날에 옛날에 지금 지난 얘기긴 한데 10대 벨소리 그러면서 선생님들은 못 듣고 학생들만 들을 수 있는 벨소리가 있어요 딱 울리면 학생들은 다 듣는데 선생님들은 못 듣는 그런 벨소리가 있었습니다 옛날에 그런데 지금은 쓰지 않고요 그런데 이런 학생들 얼마나 잘 듣는지 테스팅 한번 해볼게요 이거 17,000 들린다 안 들리는데 손 드는 거 아닐까? 18 ,000 이게 튼 거고 이게 안 튼 겁니다 튼 거고 안 튼 겁니다 들리나? 대단한네 학생 좋아요 좋아요 그런 귀를 갖고 싶어요 선생님도 그런데 돌고래는 보세요 얼마까지 측정할 수 있냐면 20만 헤르츠까지도 들을 수가 있습니다 그러니까 사실은 사람이 거의 못 듣는 Hz를 듣는다라는 겁니다 그런 걸 초음파라고 합니다 [물속에서의 의사소통: 초음파의 비밀 돌고래의 초음파 - 초음파는 의사소통의 수단이자 공간인식의 수단 - 분수공에서 만든 초음파가 멜론(지방층)에서 증폭되어 발산 - 아래턱뼈로 외부의 초음파 인식] 그러면 시간이 조금 길지는 않아서 제가 이 초음파를 어떻게 이용을 하고 수중에서 어떻게 사용하는지만 간단히 말씀을 드리고 마치려고 하는데요 [물속에서의 의사소통: 초음파의 비밀 음파의 이용 : 거리 탐색 - 물속 음파의 속도: 1,500m/s - 음파를 송수신하는데 걸리는 시간이 짧을수록 거리가 가까움] 우리가 초음파라고 하는 것을 이용해서 수중에서 할 수 있는 것에는 첫 번째로는 거리 탐색입니다 우리가 초음파를 쏘고 받는 시간을 이용해서 얼마나 떨어져 있는 목표물인가를 얘기할 수 있고요 여러분들 오늘 제가.. 선생님께 사무국장님한테 준비해달라고 한 키트가 하나 있는데 이 키트가 이제 거리에 따라서 초음파를 주고받는 거리에 따라서 해저지형을 탐사할 수 있는 모형을 제가 준비는 해왔습니다 제가 어차피 여기서 실험을 할 수 있는 시간은 안 되기 때문에 집에 가서 할 수 있는 분들은 해보시면 좋을 것 같아요 [물속에서의 의사소통 : 초음파의 비밀 음파의 이용 : 선박 운항로 확보 -안전한 선박통행을 위한 경로 확보 -멀티빔음향측심기로 해저지형을 입체적으로 조사 - 침몰선박 위치확보] 그리고 두 번째는 이런 음파를 이용해서 선박 운항로를 확보를 합니다 그래서 얼마나 거리가 떨어져 있는지 그걸 이용하면 대충의 장애물들이 어떻게 되는지를 알 수가 있겠죠 [물속에서의 의사소통: 초음파의 비밀 음파의 이용: 해저지형 탐사] 그리고 이걸 이용해가지고 해저 지형도 탐사를 합니다 얼마나 깊이 있을까? 해저 지형이 얼마나 깊이 있을까? 그리고 그 모양은 어떻게 될까? 그거를 얘기할 수가 있고요 [물속에서의 의사소통 : 초음파의 비밀 음파의 이용:SONAR - SONAR:SOund Navigation And Ranging - 수상 선박,잠수함 등 해저 물체를 수색 -물체의 거리와 속도를 측정] 그리고 우리가 잠수함에서 많이 사용하는 건데요 주변에 근처에 있는 잠수함들이 얼마나 빨리 오고 있는지, 멀어지고 있는지 그걸 탐지할 수 있는 장비를 SONAR라고 얘기를 합니다 Sound Navigation and Ranging이다 라고 얘기를 하고요 [물속에서의 의사소통 : 초음파의 비밀 돌고래가 없었다면? -연료가 소진하여 해저 바닥에 갇힌 탐사선에 모여드는 돌고래 - 물속 의사소통에 있어 음파의 이용이 필수적임] 이게 결국은 이런 초음파를 이용해가지고 수중에서 의사소통을 한다는 건데 이 의사소통을 하는 거를 이용한 영화가 하나 있어요 코어라는 영화인데요 이 영화의 끝부분을 보게 되면 그런 장면이 나와요 이게 탐사를 다 마치고 지구 내부 탐사를 다 마치고 연료가 소진된 주인공들의 탐사선이 해저 지형을 뚫고 나오자마자 연료가 소진돼 버려서 바로 가라앉아 버립니다 그런데 그거를 탐지를 못하니까 외부에서는 탐지를 못하니까 탐색을 못하는데 주변으로 어떤 일이 발생하냐면 돌고래들이 막 모여드는 겁니다 왜냐하면 여기서 발생하는 초음파가 돌고래한테 전달이 된 거죠 그래서 그 돌고래를 이용해서 무사히 주인공들이 구출됐다고 하는 아름다운 영화인데요 이런 초음파가 이제 바다 속에서 의사소통의 수단으로서 그렇게 잘 이용된다는 거 알아두시면 될 것 같고요 이런 돌고래가 사람을 구출하는 아름다운 광경이 초음파의 이용에 사용되기를 간절히 바랍니다 제가 짧은 시간인데 여러분들한테 많은 걸 설명해 드리려고 해서 말이 좀 빨라졌습니다 죄송하고요 끝까지 들어주셔서 감사합니다 감사합니다 [경청해주셔서 감사합니다.] [수요일엔 바다톡톡]