매질(일반적으로 공기 중 또는 수중) 내에서 물체가 진동하면 그 물체 주변 매질에 영향을 미치게 되어 입자를 진동시킨다. 이는 공기 또는 물 입자에 연속 진동을 발생시켜 주변으로 퍼져 나가며 파동을 형성한다. 이 파동이 귀에 도달하면 우리는 그 파동을 소리(적당한 크기와 주파수를 갖는 범위 내에서)로 인식한다. 매질이 공기인 경우 그 에너지 파동의 주파수가 특정 범위 (20~20,000Hz) 내에서 사람이 들을 수 있는데, 보통은 이를 “소리” 또는 “음파”라고 한다. 사람이 들을 수 없는 주파수영역 (20kHz 이상)을 초음파라고 하며 우리가 들을 수 있는 소리와 주파수 이외에는 다를 게 없다.
공기 중(또는 수중)에서 특정 형태의 고체 즉 나무, 금속, 팽팽한 줄 등을 두드리면 소리가 나는데 이는 물체의 재질과 형태에 따라 소리의 높낮이 즉 특정 주파수를 갖는 소리를 발생시킨다. 그러므로 원하는 주파수와 음향 특성을 갖는 진동자의 설계 제작이 가능하며 이를 음향 트랜스듀서라고 한다. 여기서 발생된 파동은 공기 입자의 이동을 연쇄적으로 일으키며 주변으로 퍼지게 되는데, 이 파동의 퍼지는 형태 때문에 소밀파(疏密波)라고 부른다. 즉, 공기가 압축되어 주변의 대기압보다 밀도가 높은 밀(密)한 부분과 밀도가 낮은 소(疏)한 부분이 주기적으로 나타나며 이를 그림으로 나타내면 아래와 같다. 이때 공기 입자는 파동의 진행 방향과 동일하게 이동하므로 종파(縱波)라고도 한다.
이런 파동이 진행되어 우리의 귀에 다다르면 외이/중이/내이와 신경을 거쳐 뇌에 전달되어 여러 분석을 통하여 언어 또는 소리로 인식하게 된다. 인간의 귀는 특정 주파수 범위(가청 주파수)만을 인식할 수 있다. 이 이외의 주파수를 대개는 초음파라고 하며 우리가 입으로 말하고 귀로 듣는 소리와 주파수만 다를 뿐 다른 물리적 특성은 동일하다. 이러한 음파는 매질을 통과하며 전달, 반사, 굴절, 산란, 흡수, 회절 등의 복잡한 현상을 갖게 되는데 이런 현상을 이용하여 많은 종류의 센서를 제작하고 있다.
인체 내에서 초음파를 진행시키면 인체 조직이 미세한 진동을 하게 되어 의학적으로 여러 가지 현상이 동반된다. 인체 조직의 진동으로 발열과 캐비테이션 현상을 이용하여 세포를 활성화 시키거나 파괴할 수도 있고 조직 사이의 경계면에서의 반사 특성을 이용하여 영상 진단도 가능하며 도플러 효과를 이용하여 움직이는 형태의 진단(심장, 태아)도 가능하다.
초음파의 발생
실로폰을 막대기로 두들기면 건반의 길이에 따라 다른 소리가 난다. 긴 것은 저음, 짧은 것은 고음이 발생한다. 피아노나 기타에서도 동일한 현상을 볼 수 있다. 실로폰 건반은 사각형의 긴 막대 형태로써 동일한 재료로 만들어졌다면 길이에 반비례하는 주파수의 소리를 발생시킨다. 이처럼 형태와 재질 특성이 정의되면 특정 방향으로의 고유 공진 주파수가 결정된다. 압전세라믹은 분말 형태를 성형, 소성할 수 있으므로 원하는 여러 가지 형태로 만들 수 있는데, 대표적인 몇 가지 형태를 그림으로 나타내면 아래와 같다.
위에서 화살표는 진동 방향, 문자는 길이를 나타내며 그림 아래의 수식에서 Fs는 공진주파수, N은 각각의 형태에서의 주파수 상수를 나타낸다.
초음파의 발생의 실 예
압전세라믹은 인장 강도가 약하므로 더욱 강력한 초음파를 발생시키려면 다음 그림과 같이 금속과 함께 조립한 구조를 만들어야 하며, 이는 강력 초음파를 발생하는 용도로 사용되고 있다.
이 구조는 압전세라믹 4개의 양측에 금속을 삽입하고 볼트로 조인 구조로써 직경과 조립된 총 길이로 주파수가 결정되며 볼트의 체결력 만큼 압전세라믹을 압축시켜 파괴 인장강도 이내에서 구동할 수 있다. 이는 프랑스의 Langevin이 개발한 구조로써 Bolt Clamped Langevin Transducer, 란쥬반 진동자, BLT 진동자 등으로 불린다.
아래 그림은 란쥬반 진동자의 임피던스 특성을 그래프로 나타낸 것으로써 공진 주파수는 27,800Hz, 공진 임피던스는 43Ohm, 반공진 주파수는 28,900Hz, 반공진 임피던스는 7,500Ohm이다. 공진/반공진 주파수 사이에서는 위상이 +90도가 되기 때문에 거의 인덕터 성분으로 변하고, 그 외의 주파수 영역에서는 -90도가 되어 커패시터 성분으로 된다.
이를 전기적 등가회로로 나타내면 아래 그림과 같다.
위에서 각 상수의 기계적 의미는 다음과 같으며 전기적으로는 R, L, C와 동일하게 취급된다.
C1 : 스티프니스(스프링 상수), C2 : 유전 용량, L1 : 질량에 의한 관성, R1 : 내부 손실