과학·환경 소리 과학의 미래

[소리과학의 미래] 음파 탐지 안 걸리는 ‘스텔스 잠수함’ 머잖아 볼 수 있을까

입력 2024.02.25 21:28

수정 2024.02.25 21:36

최복경 한국해양과학기술원 동해연구소장

‘소리(음향) 메타물질’은 독특한 성질을 지녔다. 특정 물체 표면에 인공적인 구조나 형태를 만들어서 입사되는 소리를 흡수하거나 굴절시키는 역할을 한다. 이렇게 되면 소리가 마치 사라진 것 같은 효과가 나타난다. 메타라는 말은 ‘초월’이라는 뜻이다. 일반적인 물질 특성을 넘어서기 때문에 사용하는 표현이다. 최근 전자기파 분야에서 이러한 메타물질 특징을 전투기나 미사일에 적용하는 연구가 진행되고 있다. 적군 레이더에 탐지되기 어렵게 하는 것이 목적이다.

요즘에는 소리를 대상으로도 메타물질에 관한 연구가 많이 이뤄지고 있다. 어떤 원리로 소리가 사라지는 것일까. 물질 표면 구조를 특수하게 만들어서 탄성률이나 굴절률 등의 음향 물질 변수를 변화시키는 것이 핵심이다. 이렇게 만들어진 소리 메타물질은 소리는 물론 진동, 지진 등 탄성파에 대해 특이한 성질을 갖도록 할 수 있다. 이 때문에 소리 메타물질의 잠재적인 용도는 다양하다. 진동을 흡수해 주택 층간소음을 줄이는 효과를 낼 수 있다. 각종 장비에서 나오는 진동을 제어해 작업장의 안전 수준을 높일 수 있다. 특히 지진이 발생했을 때 건물이 지진에 영향을 적게 받도록 할 수 있다. 이는 일반 건물뿐 아니라 원자력발전소에서 매우 유용한 기술이 될 것이다.

하지만 소리 메타물질이 가장 주목받을 곳은 바닷속이다. 바닷속에서 활동하는 잠수함 표면에 소리 메타물질을 붙이면 적 함정의 추적을 피할 수 있다. 지상에서 레이더 역할을 하는 수중음파탐지기(소나)에서 발생한 소리가 아군 잠수함에 도달한다고 해도 소리를 흡수하거나 굴절시킬 수 있어서다. 적 함정의 소나가 아군 잠수함의 존재를 인식하지 못하도록 하는 것이 가능하다는 얘기다. 아군 잠수함은 실제로는 존재하지만, 적 입장에서는 사라진 셈이 된다. 이런 기술이 구현된 잠수함을 ‘투명 잠수함’ 또는 ‘스텔스 잠수함’이라고 지칭한다. 기존의 스텔스 기술은 잠수함 표면에 흡음 물질을 칠하거나 흡음재를 붙이는 형태로 실현됐다. 그러나 소리 메타물질이 개발되면서 소나 주파수를 강하게 회절시키거나 굴절시키는 기술 실현도 가능해졌다.

최근 국내에서도 메타물질을 이용한 음향제어 기술을 통해 잠수함 같은 수중 물체에 입사되는 소리를 굴절시키는 연구가 진행된 바 있다. 다만 스텔스 잠수함을 실현하려면 아직 넘어야 할 산이 많다. 수중에서 잠수함이 이동할 때 나타나는 물의 소용돌이와 유체역학적인 영향까지 검증되지는 않았기 때문이다. 더 심층적인 연구가 필요한 상황이다. 하지만 소리 메타물질은 음향전문가들이 다양한 연구를 진행하고 있어 머지않은 미래에 실용화가 이뤄질 것으로 기대된다. 소리 메타물질은 미세 구조부터 거대 구조 모두에 적용할 수 있어 향후 관련 연구가 만든 결과는 군사 분야는 물론 우리 생활 전반에서 중요한 변화를 불러올 것으로 보인다.