도플러 효과, doppler effect, 도플러 이동 주파수, doppler shift frequency

도플러 효과 (Doppler Effect)

1800년대 중반 Christian Doppler에 의해 발견된 도플러 효과는 파동의 근원과 수신기 사이의 운동으로 인해 파동의 주파수와 파장이 변화하는 파동 현상입니다. 만약 근원과 수신기가 서로를 향해 움직이고 있다면, 수신된 파장은 더 높은 주파수와 더 짧은 파장을 가질 것입니다. 만약 근원과 수신기가 서로 멀어지고 있다면, 수신되는 파장은 더 낮은 주파수와 더 긴 파장을 가질 것입니다. 도플러 효과의 고전적인 예는 기차가 경적을 울리는 동안 역에 접근하는 것입니다. 기차가 역에 접근할 때, 경적에서 나오는 음파는 압축되어 플랫폼에 서있는 관찰자에 의해 더 높은 주파수가 들리게 됩니다. 기차가 역에서 멀어질 때, 음파는 퍼집니다. 그리고 관찰자는 더 낮은 주파수를 듣는다. 초음파에서 움직이는 근원은 혈류이고 수신기는 변환기입니다. 신체 조직의 고정 반사체에서 나오는 에코는 전송된 초음파 주파수와 동일한 주파수와 파장을 갖습니다. 변환기를 향해 이동하는 혈액의 에코는 전송된 초음파 주파수보다 더 높은 주파수와 짧은 파장을 갖습니다. 트랜스듀서에서 멀어지는 혈액의 에코는 전송된 초음파 주파수보다 더 낮은 주파수와 더 긴 파장을 갖습니다. 수신된 초음파 주파수와 송신된 초음파 주파수의 차이는 도플러 이동 주파수(Doppler shift frequency)로 알려져 있습니다. 도플러 효과가 파동 현상이며 음파에만 국한되지 않는다는 것을 주목하는 것은 중요합니다. 도플러 효과는 근원과 수신기 사이에 상대적인 운동이 있는 모든 파동과의 상호작용에서 발생할 것입니다. 빛의 파동(광파) 또한 도플러 효과를 생성할 수 있습니다. 그러나, 빛이 매우 빠르게 이동하기 때문에, 도플러 효과는 광원의 움직임이 매우 빠를 때에만 감지될 수 있습니다.

도플러 이동 주파수 (Doppler shift frequency)

도플러 이동 주파수는 수신된 주파수와 전송된 주파수 사이의 차이입니다. Fd = Fr - Ft (Fd : 도플러 이동 주파수, Fr : 수신된 주파수, Ft : 전송된 주파수) 수신 주파수가 송신 주파수보다 높으면 도플러 이동 주파수는 양수, 수신 주파수가 송신 주파수보다 낮으면 도플러 이동 주파수는 음수, 수신 주파수가 송신 주파수와 같으면 도플러 이동 주파수는 0입니다. 임상 초음파에서 움직이는 혈액의 도플러 이동 주파수는 낮은 킬로헤르츠(kHz) 범위에 있습니다. 변환기로 직접 이동하는 정상 동맥 혈류의 일반적인 도플러 이동 주파수는 +3kHz에 불과할 수 있습니다. 이것은 작지만 확실히 감지 가능한 도플러 이동 주파수입니다. 대부분의 정상적인 혈류는 1-4kHz 범위의 이동을 복귀시킵니다. 심한 협착증에서 발견되는 것과 같이 비정상적으로 빠르게 움직이는 혈액은 8-20kHz 범위에서 다소 높은 이동을 반환합니다. 정상 및 비정상 혈류 모두에서 이러한 도플러 이동 주파수가 가청 음향 범위(20Hz - 20kHz)에 속한다는 것에 유의하는 것도 중요합니다. 이것은 우리가 이러한 교대를 조정할 수 있음을 의미합니다. 우리는 초음파 펄스(MHz)나 초음파 에코(MHz)를 들을 수 없지만, 도플러 이동 주파수(kHz)가 있으면 들을 수 있습니다. 이러한 이유로 펄스 도플러 및 연속파 도플러 시스템에는 초음파검사자가 도플러 이동 주파수를 들을 수 있도록 하는 스피커가 있습니다. 도플러 시스템에서 들리는 낯선 소리가 바로 그 소리입니다. 당신은 도플러 이동 주파수를 듣고 있습니다. 대부분의 시스템에서 양의 도플러 이동 주파수는 한 스피커에서 재생되고 음의 도플러 이동 주파수는 다른 스피커에서 재생됩니다. 따라서 눈을 감아도 혈액이 당신을 향해 움직이는지(positive shift) 아니면 멀어지는지(negative shift) 알 수 있습니다. 또 다른 중요한 점은 양의 이동은 음의 이동보다 더 큰 크기의 이동이 아닙니다. 양수 또는 음수 기호는 크기가 아닌 방향만 나타냅니다. 예를 들어 -5kHz 시프트는 =3kHz 시프트보다 큰 크기를 갖습니다(5kHz는 3kHz보다 높음). 그러나 기호는 변환기에 대한 흐름의 방향만 나타냅니다. 마지막으로 중요한 점은 도플러 이동  주파수를 간단히 "doppler shift" 또는 "shift"라고도 합니다. 그것이 주파수이고 단위가 kHz라는 것을 잊지 마세요.

몸에서 무엇이 움직일까요?

임상 실습에서 혈액 이동은 도플러 효과의 가장 일반적인 원인입니다. 고정된 변환기 쪽으로 이동하는 혈액은 전송된 주파수보다 약간 높은 주파수로 에코를 후방 산란시켜 양의 도플러 이동 주파수를 제공합니다. 변환기에서 멀어지는 혈액은 더 낮은 주파수를 후방 산란시켜 음의 도플러 이동 주파수를 제공합니다. 드물게 도플러를 사용하여 방광의 소변 분출과 같은 다른 체액의 흐름을 관찰할 수도 있습니다. 호흡이나 심장 박동으로 인해 연조직을 움직이는 것도 도플러 이동을 유발할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이들은 일반적으로 원하지 않으면 혼란의 원인이 될 수 있습니다. 유사하게, 장 연동 운동은 때때로 도플러 이동을 유발할 수 있습니다. 이들 역시 일반적으로 원하지 않으며 혼란스러울 수 있습니다.