소리 방향 따라 변하는 파동 현상 세계 첫 실험 입증

포스텍·전북대, 단일 시스템 상·하향 주파수 변환 동시 구현

양방향 비대칭 파동 현상 규명하기 위한 실험 개략도 . /POSTECH

국내 연구진이 소리가 어느 방향에서 오느냐에 따라 높아지거나 낮아지는 파동 현상을 세계 최초로 입증했다. 이번 연구가 향후 의료용 초음파 장비부터 소음 차단 기술까지 다양한 분야에 혁신을 가져올 수 있어 기대된다.

포항공과대학교(POSTECH)는 노준석 기계공학과·화학공학과·전자공학과·융합대학원 교수 연구팀과 김은호 전북대 기계시스템공학부 교수 연구팀이 단일 시스템 내에서 파동 방향에 따라 주파수가 달라지는 현상을 증명했다고 21일 밝혔다.

이번 연구는 물리학 분야 세계 최고 권위의 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 지난 15일 게재됐다.

우리가 사용하는 많은 기술은 파동의 주파수를 바꾸는 원리를 활용한다. 예를 들어 녹색 레이저 포인터는 보이지 않는 적외선의 주파수를 두 배로 높여(상향 변환) 녹색 빛을 만든다. 초지향성 스피커는 두 개의 초음파를 섞어 주파수를 낮춰(하향 변환) 사람이 들을 수 있는 소리를 낸다.

이들은 파동 세기가 커질수록 반응이 단순히 비례하지 않고 복잡하게 달라지는 ‘비선형성’을 이용하는데, 보통 파동 방향이 고정돼 있거나 복잡한 구조와 외부 조작이 필요했다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 작은 구슬들을 연결한 과립형 ‘포논 결정(phononic crystal)’ 구조를 설계했다. 이 구조물은 각 구슬의 연결 강도를 조금씩 다르게 조절할 수 있어 같은 파동이라도 방향에 따라 전혀 다른 반응을 보인다.

이 시스템은 평소에는 에너지가 약한 파동을 거의 모두 차단하지만, 파동 세기가 강해지면 달라진다. 한쪽에서 들어온 파동은 주파수가 높아져 더 날카로운 소리가 되고, 반대쪽에서는 주파수가 낮아져 둔한 소리가 된다. 마치 같은 문이라도 앞에서 들어올 때와 뒤에서 들어올 때 다른 소리를 내는 것과 같다.

특히 연구팀은 특정 진동수에서 구슬이 유독 크게 흔들리는 ‘국소 공명’ 특성을 더해 ‘비선형성’과 방향에 따른 ‘공간 비대칭성’을 동시에 구현하고 상향 변환과 하향 변환이 한 시스템 안에서 자유롭게 일으킬 수 있도록 했다.

이 기술은 지진이나 공사 현장에서 특정 진동만 선택적으로 줄이거나 의료용 초음파 진단 장비의 해상도를 높이는 데 활용될 수 있다. 또 향후 사람이 들을 수 없는 소리를 특정한 방향에서 감지하는 음향 기기나 아날로그 신호 처리 기술에도 활용될 수 있다.

연구를 이끈 노준석 교수와 김은호 교수는 “이론적인 가능성으로만 제시되던 개념을 실제 실험으로 입증했다는 데 큰 의미가 있다”라며 “차세대 주파수 변환, 신호처리 기술에 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

한편, 이 연구는 POSCO홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 한국연구재단과 과학기술정보통신부 중견연구자 지원 사업의 지원으로 수행됐다.

참고 자료

Physical Review Letters(2025), DOI: https://doi.org/10.1103/3n97-7kmd

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