음향감쇠매질 내에서 초음파에 의한 온도분포의 가시화 기법에 관한 연구와 과학 교수 학습에의 적용

Abstract

음향감쇠 매질 내에서 집속 초음파 에너지에 의한 온도 분포 변화를 파악하는 것은 의료, 진단 분야에 매우 중요한 정보를 제공할 수 있기에 연구가 필요하다. 그러나 액체와는 달리 고체 매질 혹은 젤이나 겔 상태의 음향 매질 내부의 온도분포를 측정하는 것은 쉽지 않다. 왜냐하면 온도를 측정할 수 있는 온도센서를 매질 내에 고정하기 위해선 매질의 일부가 손상되고 고정된 온도센서는 음파의 진행에 큰 영향을 주기 때문에 정확한 측정이 불가능 하다. 그래서 비침습적으로 측정하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 음향 감쇠매질 내에 시온안료를 바른 감온 필름을 적층하여 온도분포를 조사하였다. 다양한 음향감쇠매질이 있으나 본 연구에서는 한천을 사용하여 음향감쇠매질을 제작하였고 설탕 농도를 25%에서 40%까지 변화시켜가며 초음파에 의한 온도 분포 가시화를 해보고, 매트랩 시뮬레이션과 비교하여 연구의 결과를 비교하여 보았다. 그리고 본 연구가 중등교육과정의 목표 중 하나인 융합형 과학에 적절한지 검토해보았다. 그 결과, 이 실험은 중· 고등학생들의 과학의 흥미와 호기심을 불러일으키고 다양한 탐구 활동 과정 속에서 자연스럽게 창의적 사고가 활용되고 발현될 것으로 기대된다.

The temperature change due to ultrasonic energy in dissipative acoustic medium is very important because it provides us much information. However, unlike liquid, it is difficult to measure the temperature distribution inside of the dissipative acoustic medium such as gel or living body. It is hard to measure the temperature exactly because a thermometer would damage the medium when it is fixed and moves in the medium. Therefore, we need a method to measure it non-invasively. To measure the temperature change inside of the dissipative acoustic medium non-invasively, we adopt a temperature sensitive film which has thermochromic particles. As a dissipative acoustic medium, agar layer is chosen in the study. The temperature change due to the ultrasound was measured depending on the concentration of the sugar in the agar layer. The color change on the film due to the ultrasound was investigated when the concentration of sugar was from 25% to 40%. To compare the results with theoretical ones, a simulator was used. As the result, there were rapid increases of discolored area on the film within 2~5 second after the ultrasound driving and the increasing rates decreased after the period. In the simulation results, the discolored areas linearly increased from start to 10 seconds. The reason of the differences between the experimental results and simulated ones is that the change of thermal conductivity and heat capacity of the medium were not considered in the simulation program. In addition, we investigated the application possibility of this study to science education in the secondary school. We confirmed that the results of this study could be applied to several parts of science education course as a teaching material, and we can expect that this study is useful demonstration to understand some natural phenomena.