인간이 들을 수 있는 소리가 가지는 진동수, 곧 가청진동수(20 ~ 20,000 Hz)보다 높은 진동수를 갖는 소리를 초음파라 한다.

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그림 1. 초음파 (출처:한국물리학회)

사람이 들을 수 있는 진동수의 한계는 사람마다 다르고 나이에 따라 다르나, 대체로 20,000 Hz 이상의 진동수를 가진 소리는 들을 수 없으므로, 그 이상의 진동수를 가진 소리를 초음파라 한다. 일부 동물들은 초음파를 듣거나 발생시킬 수 있다. 초음파는 사람의 귀에 들리지 않는 신호를 전달할 수 있으므로, 리모콘이나 카메라의 초점을 맞추는 용도 등에 이용된다. 또한 초음파는 파장이 짧으므로, 물체에 부딪혀 반사되어 나오는 초음파를 통해 형태를 세밀하게 파악하는 데 많이 이용한다. 특히 물 속에서 음파가 잘 진행한다는 점을 이용하여 물 속의 물체나 지형을 파악하는 데 사용하며, 우리 몸 속을 진단하는 데도 사용한다. 더불어, 작은 영역에 역학적인 에너지를 집중할 수 있어서 분자를 혼합하는 등에 이용한다.

박쥐는 초음파를 이용하는 대표적인 동물이다. 박쥐 중에서도 주로 곤충을 잡아먹는 종류들이 초음파를 이용하여 먹이를 찾아내고 물체를 식별한다. 오래전에 사람들은 주로 야간에 활동하는 이런 박쥐들이 매우 밝은 눈을 가지고 있다고 생각했으나, 실제로 박쥐의 시각은 거의 퇴화되어 있고 박쥐는 2 ~ 15 MHz 정도의 진동수를 가진 초음파를 사용하여 주위를 '본다'고 할 수 있다. 박쥐는 초음파 펄스(pulse)를 발생시켜 이 음파가 물체에 부딪쳐 되돌아오는 반사파를 통해 방향을 잡고, 반사파가 돌아오는 시간을 이용하여 거리를 감지하는데, 흔히 이렇게 반사파를 이용하여 물체의 위치를 특정하는 방법을 '반향정위(echolocation)'라고 한다. 먹이를 탐지할 때 박쥐는 상대적으로 가끔식 초음파 펄스를 발생시키지만 일단 먹이가 탐지되면 먹이에 접근하면서 펄스 사이의 간격을 짧게 하는 등, 초음파를 정교하게 사용한다.

곤충을 잡아먹는 박쥐의 주요 먹잇감 중의 하나가 나방이다. 그에 따라 어떤 종류의 나방들을 박쥐로부터 피하는 방법을 갖게 되었는데, 곧 박쥐가 사용하는 진동수 영역대의 초음파를 스스로 발생시키는 것이다. 이런 나방에게 초음파를 쏘면 스스로 초음파를 발생시킨다는 것이 관찰되었다. 이런 방식으로 나방들은 박쥐가 발사한 초음파 펄스가 자신에게 반사되어 나갈 때 자신이 만들어낸 다른 초음파를 발생시켜 박쥐를 교란시킨다. 놀라운 일은 이와 유사한 방식이 박쥐끼리 먹이 경쟁을 할 때도 사용된다는 것이다. 같은 사냥감을 여러 마리의 박쥐가 동시에 사냥하려고 할 때 박쥐는 초음파를 끊이지 않고 발생하여 다른 박쥐가 사냥감의 위치를 파악하는 데 있어 어려움을 겪게 한다. 상대 박쥐가 사냥에 실패하면 그만큼 자신에게 기회가 올 수 있다는 것이다. 인간도 이와 유사한 기술을 사용하는 데, 비행기가 레이더에 감지되지 않기 위하여 스스로 레이더가 사용하는 영역대의 전파를 발생시켜 교란시키는 기술이다.

돌고래가 초음파를 사용하여 물체를 판별하고 의사 소통한다는 것이 잘 알려져 있다. 깊이가 수십 미터 이상인 바다 속에는 햇빛이 거의 도달하지 못한다. 이는 빛을 포함하여 전자기파가 물 속에서는 수십 미터 이상 진행하기 어렵다는 것을 나타낸다. 따라서 물 속에서 멀리까지 진행하는 파는 음파이다. 돌고래는 2,000 ~ 200,000 Hz의 진동수를 가진 음파를 사용하는데, 강한 직진성이 필요할 때면 파장이 짧아야 하며 따라서 진동수가 높은 음파, 곧 초음파 영역대의 음파를 사용한다. 돌고래는 물속에서 초음파를 정교하게 사용한다. 돌고래가 초음파를 이용하여 어떻게 '반향정위'를 파악할 수 있는지 등은 연구의 대상이다.

개와 고양이 등은 인간의 가청진동수 이상의 초음파를 들을 수 있다. 개가 이유 없이 짖을 때면 어떤 초음파 소리를 들은 것으로 의심할 수 있다. 놀이동산의 물개 쇼에서 진행자는 초음파를 이용하여 관객들 모르게 물개에게 신호를 전달하기도 한다.

의학적으로 초음파를 이용한 영상 진단이 광범위하게 이루어지고 있다. 가장 대표적인 예는 임산부의 태아 영상이다. 초음파 영상은 1 ~ 30 MHz의 진동수를 갖는 초음파 펄스를 인체 안으로 투과시켜 장기의 외벽에서 반사되어 나올 때 그 신호를 포착하여 컴퓨터로 만든 영상이다. 초음파 영상은 실시간 진단을 가능하게 하고 피폭의 위험성이 적어 그 쓰임새가 날로 확대되고 있다.

리모콘은 멀리 떨어져 있는 기계에 신호를 보내 이를 제어하는 장치이다. 우리에게 가장 익숙한 TV 리모콘에 있어서 초창기에는 신호를 보내는 수단으로 초음파가 사용되었다. 그러나 요즈음은 보다 간편하게 만들 수 있는 적외선이 주로 사용된다.

물 속에서 음파는 멀리까지 진행할 수 있다. 그러므로 음파를 통해 물 속의 지형이나 물체를 파악할 수 있다. 파장이 짧은 파동은 직진성이 강하므로 높은 진동수, 즉 짧은 파장을 가지는 초음파를 발생하여 반사파를 측정하면 물 속의 어군이나 잠수함 등을 탐지할 수 있다. 이때 펄스를 사용하여 반사되어 돌아오는 시간을 측정하면 물체까지의 거리를 알아 낼 수 있다.

초음파는 분자의 운동을 촉진시키므로, 초음파를 가하면 페인트와 같은 끈적한 액체들을 잘 섞이게 할 수 있다. 같은 원리로 물체의 표면에 붙어 있는 때를 떼어 내는 데 유리하므로 안경 세척기 등에 사용한다. 초음파를 통해 국지적으로 에너지를 집중시키면 세포를 파괴시킬 수 있다. 이를 이용하여 살균하거나 몸 속의 결석 등을 깨뜨린다.