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1. 서론
1.1. 초음파의 기본 물리량
초음파란 인간의 청각 영역을 벗어난 높은 주파수의 음파이다. 초음파는 진폭, 출력, 강도와 같은 물리적 특성을 갖는다. 진폭은 음향 변수의 평균값과 최대값의 차이로, 음향 변수의 최대 주기적 변화량이다. 출력은 에너지 전달률 또는 일률로, 음원, 매질에 따른 감쇠율, 조절 가능한 요소에 따라 결정된다. 강도는 출력을 음파 빔 면적으로 나눈 값으로, 출력에 비례하고 빔 면적에 반비례하며 매질에 따른 감쇠율에 따라 달라진다. 이러한 초음파의 물리적 특성은 생체 효과 등의 의학 분야에서 중요한 지표가 된다. []
1.2. 감쇠와 감쇠계수
초음파가 매질을 통과하면서 진폭과 강도가 점차 약해지는데, 이를 감쇠(Attenuation)라고 한다. 초음파 빔의 감쇠는 주로 흡수(Absorption)에 의한 것이 지배적이며, 반사(Reflection), 굴절(Refraction), 산란(Scattering) 등의 요인들도 작용한다. 감쇠 정도를 나타내는 척도로 감쇠계수(Attenuation Coefficient)가 사용되는데, 이는 초음파의 전파 거리에 따른 진폭 또는 강도의 감소율을 의미한다. 감쇠계수는 매질의 특성에 따라 다르며, 주파수가 높을수록 크게 나타난다. 따라서 고주파 초음파일수록 감쇠가 심하며, 이는 탐촉자 설계 시 고려해야 할 중요한 요소이다. 감쇠계수와 감쇠량은 직선적으로 비례하므로, 초음파가 특정 거리를 통과하며 감쇠되는 정도를 쉽게 계산할 수 있다. 이러한 감쇠 특성은 초음파 영상 구현 시 밝기 저하나 해상도 저하 등의 문제를 야기하므로, 실질적인 응용에 있어서 매우 중요한 물리량이라고 할 수 있다.
1.3. 거리방정식과 시간비행거리
거리방정식은 초음파 에코의 도달 시간을 이용하여 반사체의 깊이를 추정하는 방법이다. 이는 초음파 속도가 일정하다는 가정 하에 계산이 가능하다. 거리방정식은 D = V x T / 2 로 표현되는데, 여기서 D는 반사체의 깊이, V는 초음파 속도, T는 에코의 도달시간이다. 초음파의 평균 전파속도를 1.54mm/μs 또는 1,540m/s로 간주할 경우, 에코가 도달하는데 13μs가 걸리면 반사체의 깊이는 1cm라고 추정할 수 있다. 이를 '13 마이크로초 규칙'이라 한다. 즉, 에코가 도달하는데 26μs가 걸리면 반사체는 2cm 깊이에 위치한 것으로 볼 수 있다. 이처럼 거리방정식과 시간비행거리 개념은 초음파 에코 신호를 통해 반사체의 깊이를 추정하는데 활용된다.
1.4. 대역폭과 품질계수
대역폭은 펄스 신호의 주파수 범위를 의미하며, 긴 펄스 신호는 협대역 특성을 보이고 짧은 펄스 신호는 광대역 특성을 보인다. 축방향 해상도는 펄스 지속 시간이 짧은 광대역 트랜스듀서를 사용할수록 향상되며, 펄스 지속 시간이 긴 협대역 트랜스듀서의 경우 축방향 해상도가...
