2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2018 · 문제 16 · 파동·음향

소리로 만든 보이지 않는 선반 — 음파 부양

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2018 문제 16 ‘Acoustic Levitation’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2018 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「빛과 파동」(파동의 요소와 소리의 특성) · 「힘의 작용」(힘의 평형) / 고등학교 물리학 「빛과 물질」(파동의 중첩과 간섭) · 과학탐구실험1(측정과 분석) / 진로선택 「역학과 에너지」(탄성파와 소리 — 정상파) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

정상파, 마디와 배, 파장, 초음파, 음압, 음향 복사압, 음향 복사력, 트랜스듀서(초음파 진동자), 공명, 힘의 평형, 복원력, 음속

원리 살펴보기

소리는 만질 수도 없는데, 어떻게 구슬을 공중에 붙들어 둘까? 초음파 진동자가 쏜 소리가 반사판에 부딪혀 되돌아오면, 가는 파와 오는 파가 겹쳐 정상파가 만들어진다. 정상파에는 공기가 거의 진동하지 않는 마디와 가장 크게 진동하는 배가 반파장 간격으로 제자리에 고정된다. 물체를 밀고 당기는 소리의 압력은 진동 한 주기 동안 대부분 상쇄되지만 완전히 지워지지는 않아, 시간 평균이 0이 아닌 힘이 늘 조금 남는다. 이 남는 힘이 음향 복사력이며, 소리가 셀수록 커져 충분히 세지면 중력과 겨룰 만해진다 — 소리의 압력이 물체를 미는 이 힘의 이론은 1934년 킹(King)이 정리한 고전이다.

공기보다 밀도가 큰 작은 물체는 이 힘에 밀려 음압의 마디(공기 입자의 속도로 보면 배)로 모이고, 중력 때문에 마디보다 살짝 아래에서 힘의 평형을 이룬다. 그래서 부양된 구슬들은 반파장 간격의 보이지 않는 선반 위에 층층이 놓인다. 40 kHz 초음파의 파장은 상온 공기에서 약 8.6 mm이므로 지름 몇 mm의 가벼운 구슬이 알맞고, 물체가 반파장에 가까워질수록 붙잡기 어려워진다. 시판 저가 트랜스듀서로 만든 TinyLev는 밀도 2.2 g/cm³ 이상, 지름 4 mm 이상인 물체까지 띄웠다. 반사판 위치나 위상을 조금씩 바꾸면 마디가 움직여 물체가 따라오고, 위상 배열을 쓰면 이동·회전 조작까지 가능하다.

이 원리는 이미 연구와 산업에서 일하고 있다. 무용기 시료 처리(제약·화학 분석에서 액체 방울을 용기 벽에 닿지 않게 띄워 오염 없이 분석), 음향 집게(세포·미세입자를 만지지 않고 붙잡아 옮기는 소리 핀셋), 비접촉 이송(긁힘·오염에 민감한 정밀 부품의 운반)에 쓰인다.

실험 설계

준비물

40 kHz 초음파 부양 장치(시판 조립 키트 또는 TinyLev형 자작 장치), 발포 폴리스티렌(스티로폼) 구슬(지름 1~4 mm), 핀셋 또는 작은 그물, 모눈 배경판, 스마트폰 카메라, 자, 각도기.

변인

독립변인은 부양시키는 물체의 지름이고(한 번에 이 값만 바꾼다), 조작 실험에서는 반사판의 이동량과 장치의 기울임 각이다. 종속변인은 부양 성공 여부와 사진에서 읽은 부양 위치이다. 통제변인은 구동 주파수와 구동 전압, 물체의 재질(밀도), 진동자–반사판 간격, 실온과 바람 없는 실내 환경이다 — 전압은 음압을 좌우하는 설정값일 뿐 음압 그 자체는 아니므로, 같은 장치에서 같은 값으로 고정하는 데 뜻이 있다.

실험 순서

  1. 부양 장치를 수평한 바닥에 놓고 전원을 켠 뒤, 핀셋이나 작은 그물로 스티로폼 구슬(지름 1~2 mm)을 진동자와 반사판 사이에 살며시 밀어 넣어 부양시킨다.

  2. 모눈 배경판 앞에서 사진을 찍어 부양된 구슬들의 위치를 기록하고, 이웃한 부양 위치 사이의 간격을 읽는다 — 반파장 이론값과 비교할 기초 자료다. 사진에는 자를 함께 넣어 축척을 남긴다.

  3. 구슬 지름을 1 mm 안팎부터 4 mm 안팎까지 단계적으로 바꿔 가며 부양 성공 여부와 흔들림의 정도를 기록한다(조건마다 3회).

  4. 반사판(위아래 어레이가 마주 보는 장치라면 위쪽 어레이)을 자를 대고 1 mm씩 천천히 올리고 내리며, 구슬이 얼마나 정확히 따라 움직이는지 사진으로 기록한다.

  5. 장치를 조금씩 기울이며 구슬이 떨어지는 각도를 찾는다 — 조작이 어디까지 가능한지 한계를 정하는 실험이다.

안전 안내

⚠ 안전

40 kHz 초음파는 귀에 들리지 않지만 장치 가까이의 음압은 매우 크다 — 귀를 장치에 바싹 대지 말고 장시간 노출을 피한다. 구동 회로의 배선과 극성을 확인하고 젖은 손으로 만지지 않으며, 트랜스듀서나 구동 보드가 뜨거워지면 전원을 끄고 식힌 뒤 다룬다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

구슬은 공기가 가장 크게 진동하는 곳에 뜰까, 거의 진동하지 않는 조용한 곳에 뜰까? 그리고 여러 개를 띄웠을 때 구슬 사이의 간격은 무엇이 정할까?

자료 정리

부양된 구슬들의 이웃 간격을 표로 모아 평균과 흩어짐을 구하고, 반파장 이론값(음속 ÷ 주파수 ÷ 2)과 비교한다. 물체 지름별 부양 성공 여부를 표로 정리해 부양 가능 영역의 경계를 찾고, 반사판 이동량–구슬 이동량 그래프와 기울임 각–이탈 여부 기록을 함께 정리한다.

결과의 의미

구슬은 음압 마디 부근, 그보다 살짝 아래에 뜨고, 이웃 간격은 반파장(40 kHz에서 약 4.3 mm)에 가까울 것으로 예상된다. 간격에 2와 구동 주파수를 곱하면 공기 중 음속이 나온다 — 부양 사진 한 장이 곧 음속 측정 실험이 되는 셈이다. 지름이 반파장에 가까워질수록 부양이 불안정해지는 경향은 정상파 포획의 크기 한계를 보여 주고, 반사판을 따라 구슬이 움직인 정도와 기울임의 한계는 문제의 마지막 질문 "어느 정도까지 조작할 수 있는가"에 대한 정량적 답이 된다. 부양 위치가 마디보다 처지는 깊이 역시 음향 복사력이 중력과 겨루는 정도를 보여 주는 단서다 — 파일럿 전이므로 이 값들은 예상 경향으로 두고, 실제 값은 측정으로 확인하자.

더 탐구하기

  1. 부양 간격과 구동 주파수에서 공기 중 음속을 구해 이론값과 비교해 보자 — 실온을 함께 기록하면 온도에 따른 차이도 논의할 수 있다.

  2. 반사판을 옮기는 속도를 점점 올리며 구슬을 놓치는 문턱 속도를 찾아보자 — 포획하는 힘의 세기를 가늠하는 지표다.

  3. 부양된 구슬을 옆에서 아주 살짝 건드려 평형점 둘레에서 진동하는 모습을 고속 촬영하고, 그 진동수로 복원력의 세기를 추정해 보자.

  4. 심화로, 주사기로 작은 물방울을 살며시 넣어 액체 부양에 도전해 보자.

연결 주제

IYPT 2026 문제 9 '빛으로 미는 뜬 조각 — 흑연 부양 제어' — 같은 부양 계열이지만 부양의 힘이 다르다(이 문제는 정상파의 음압, 2026 문제 9는 반자성체에 작용하는 자기력). 두 장치의 포획·조작·한계를 같은 틀로 비교해 보자.

참고문헌

[학생] B. Drinkwater, 'How to make an ultrasonic levitator'(brucedrinkwater.com — 초음파 부양 장치 제작 안내) / 위키백과 'Acoustic levitation' / 영상 검색어 "acoustic levitation", "TinyLev" / [심화] A. Marzo, A. Barnes, B. W. Drinkwater, "TinyLev: A multi-emitter single-axis acoustic levitator," Review of Scientific Instruments 88(8), 085105, 2017, DOI 10.1063/1.4989995 (시판 저전압 트랜스듀서로 만든 40 kHz 부양 장치 — 밀도 2.2 g/cm³ 이상·지름 4 mm 이상인 물체도 부양, 조립 설명서 포함) · A. Marzo 외, "Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects," Nature Communications 6, 8661, 2015, DOI 10.1038/ncomms9661 (위상 배열 하나로 부양 물체를 이동·회전시키는 음향 집게·트랙터 빔) · M. A. B. Andrade, N. Pérez, J. C. Adamowski, "Review of Progress in Acoustic Levitation," Brazilian Journal of Physics 48(2), 190–213, 2018, DOI 10.1007/s13538-017-0552-6 (이론·장치·조작 기법의 총설) · L. V. King, "On the acoustic radiation pressure on spheres," Proceedings of the Royal Society A 147(861), 212–240, 1934, DOI 10.1098/rspa.1934.0215 (음향 복사압 이론의 고전) · R. S. Schappe, C. Barbosa, "A Simple, Inexpensive Acoustic Levitation Apparatus," The Physics Teacher 55(1), 6–7, 2017, DOI 10.1119/1.4972488 (교실용 저가 부양 장치). ※ 저비용 정상파 장치에서 물체를 놓치지 않고 옮길 수 있는 반사판 이동 속도의 문턱과 기울임의 안정 한계를 학교 장비로 정량화한 문헌은 찾기 어렵다 — '어느 정도까지 조작할 수 있는가'의 정량화가 이 탐구의 개방 지점이다.

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