Ако сте инженер или студент по инженерство, знаете какво представляват вълните.
Вълните са важна част от много от технологиите, които използвате всеки ден, от радиосигнали до ултразвукови изображения.
Но замисляли ли сте се какво правят тези вълни, когато се отдалечават от началото си? Тук идва идеята за разпространение на лъча.
Разпространението на лъча е ъгълът, под който електромагнитен или акустичен лъч се отдалечава от централната си ос, докато се движи през материал.
Разбирането на разпространението на лъча е важно за проектирането и най-доброто използване на много инженерни системи, като осветление, сонар и лазери.
И така, в тази статия ще говоря за разпространението на лъча и защо е важно в областта на инженерството.
Въведение в разпространението на лъча
Официална дефиниция:
Ъгълът на отклонение от централната ос на електромагнитен или акустичен лъч, докато той преминава през материал.
Разпространението на лъча е количеството, което електромагнитен или акустичен лъч се отдалечава от централната си ос, докато се движи през материал.
Обикновено се измерва в градуси и показва колко широк е лъчът от източника на определено разстояние.
В инженерството разпространението на лъча е важна идея, която помага да се разбере колко силни и в каква посока са светлината, звукът и радиовълните.
Разпространение на лъча в осветлението
При осветлението разпространението на лъча е начин да се измери колко далеч отива светлината от източник с рефлектор, като електрическа крушка.
Той измерва колко широк е лъчът, което е важно да знаете, ако искате да решите колко светлина да осветите върху обект или повърхност.
В зависимост от големината си, рефлекторните лампи имат или точков лъч, или широк лъч.
Ширината на лъча е това, което прави точковия лъч различен от наводнения лъч.
Използвайте тази проста формула, за да намерите ширината на светлинен лъч от дадено разстояние: Разпръскване на лъча = Ъгъл на лъча x,018 x Разстояние.
Например, ако искате да знаете докъде ще достигне светлината на 120-градусов прожектор от 15 фута разстояние, можете просто да включите числата в тази формула.
Прожекторите и прожекторите често се описват от производителите по малко по-различни начини.
Знаейки как работи разпространението на лъча, ще ви помогне да изберете правилната външна светлина за вашия проект.
За по-дълги разстояния по-тесен лъч, който отива по-далеч, ще работи най-добре.
Ако искате да използвате светлини с по-широк лъч, за да създадете атмосфера, разстоянието между светлините трябва да е равно или по-голямо от диаметъра на разпространението на светлинния лъч.
Разпространение на лъча в акустични вълни
Разпространението на лъча може да се случи и в ултразвукови преобразуватели, където се измерва като ъгъл между главния лоб на звуковия лъч в далечното поле и самия основен лоб.
Дивергенцията на лъча е друг начин за измерване на това колко звукова енергия се разпространява, докато се отдалечава от своя източник.
Много зависи от това колко често се използва трансдюсерът и колко е голям.
Може да се използва аплет, за да се получи груба оценка на ъгъла на отклонение на лъча, който е половината от ъгъла на разпространение на лъча.
Това се прави, като се вземат предвид диаметърът (D), честотата (F) и скоростта на звука (V) в течна или твърда среда.
Защо разпространението на лъча не е за смях в инженерството
Все още трудно за разбиране? Да променя малко гледната точка:
Кой изобщо трябва да се тревожи за досадни неща като разпространение на лъча? Просто оставете вашите светлинни или звукови вълни да летят волю или неволю и се надявайте на най-доброто! В крайна сметка, кой има нужда от прецизност или точност в инженерните приложения, нали?
Разбира се, това изобщо не е вярно, както всеки инженер или студент по инженерство знае.
Когато проектирате и оптимизирате различни технологии, разпространението на лъча е едно от най-важните неща, за които трябва да помислите.
Но понякога имаме нужда от малко ироничен хумор, за да разберем колко важна е концепция като разпространението на лъча.
Сега да се върнем към обяснението.
Фактори, влияещи върху разпространението на лъча
Нещата, които влияят върху начина, по който се разпространяват електромагнитните и акустичните вълни, зависят от вида на материала, през който преминават.
Когато избирате трансдюсер за ултразвук, ъгълът на лъча е важно нещо, за което трябва да помислите.
Разпространението на лъча прави отраженията по-малко силни, тъй като звуковата енергия се разпространява върху по-голяма площ.
Честотата и диаметърът на трансдюсера имат много общо с това колко широк е лъчът.
Когато се използва нискочестотен преобразувател, разпространението на лъча е по-широко, отколкото когато се използва високочестотен преобразувател.
С нарастването на диаметъра на трансдюсера разпространението на лъча ще се свие.
Когато звуковите лъчи не се разпространяват, скоростта, с която те се разпространяват, се определя от коефициента на дифракция D, който е свързан с кривината на изочестотната повърхност.
Изборът на преобразувател има голям ефект върху чувствителността, разделителната способност, проникването и разпространението на лъча.
Промяната на работната честота или формата на вълната има малък ефект.
Фактори, влияещи върху разпространението на лъча в светлинните вълни
Пречупването е това, което се случва, когато светлинна вълна се движи от един материал към друг и променя скоростта и посоката.
Колко светлинната вълна се огъва зависи от ъгъла, под който тя удря повърхността и индексите на пречупване на двата материала.
Индексът на пречупване показва колко материал забавя светлината в сравнение с вакуум.
Когато светлината преминава през призма, тя се огъва два пъти: веднъж, когато влиза, и отново, когато излиза.
Колко светлина се огъва зависи от нейната дължина на вълната, така че различните цветове се огъват под различни ъгли.
Това се нарича дисперсия.
Когато светлината преминава през парче стъкло, част от нея отскача от повърхността, а част от нея преминава направо през него.
Колко светлина се отразява зависи от ъгъла, под който удря повърхността и от това как въздухът и стъклото огъват светлината.
Индексът на пречупване на стъклото е по-висок от този на въздуха, така че когато светлината преминава от въздуха в стъклото, тя се забавя и се огъва към нормалното (въображаема линия, перпендикулярна на повърхността).
Когато светлината преминава от стъкло към въздух, тя се ускорява и се отклонява от нормалното.
Накратко, свойствата на средата, през която преминава вълната, както и честотата и размерът на преобразувателя, са основните неща, които влияят върху разпространението на електромагнитни и акустични вълни.
Пречупването променя скоростта и посоката на светлинните вълни, докато преминават през различни материали.
Това влияе на разстоянието една от друга на светлинните вълни.
Да знаете какво влияе на разпространението на лъча е важно за избора на правилното оборудване и получаване на желаните резултати в различни инженерни приложения.
Употреби на разпространение на лъча
Разпространението на лъча е важна част от много инженерни приложения, като осветление, сонарни системи, технологии за подводно наблюдение и др.
Важно е да знаете как разпространението на лъча влияе върху тези технологии, за да можете да изберете правилното оборудване и да получите желаните резултати.
Разпространение на лъча в осветлението
При осветлението ъгълът, под който светлината излиза от осветителното тяло, се нарича разпространение на лъча.
Повече площ се осветява с по-малък интензитет на светлината, ако лъчът е по-широк.
От друга страна, по-тясното разпространение на лъча поставя повече светлина в по-малка площ.
При многолъчеви глави за разпръскване, ъгълът на лъча може да се променя на място чрез преместване на лещата.
Разпръснатите лъчи могат да се използват за осветяване на голяма площ, докато разпръснатите лъчи могат да се използват за подчертаване на определени части от стаята.
Различните видове светлини имат различни модели за разпространение на светлината, които са направени по различни причини.
Светлините с разширен лъч имат по-широк лъч от прожекторите, които произвеждат по-фокусиран светлинен лъч, който може да се движи по-далече пред автомобила.
Фаровете за мъгла могат да светят през слоеве мъгла, дъжд, сняг или прах по пътя, защото имат широко хоризонтално разпространение, но тясна вертикална граница.
Система за класификация на разпространението на лъча NEMA
Националната асоциация на производителите на електротехника (NEMA) излезе с начин да класифицира как се разпространява светлината.
Тази система се нарича разпространение на лъча NEMA.
Отнася се за двата ръба, където интензитетът на светлината се разпространява хоризонтално и вертикално до 10% от максималния интензитет на лъча и корелира с това дали светлинният поток е много тесен, много широк или някъде по средата.
Ъглите на хоризонтално и вертикално разпространение на лъча се използват за разграничаване на типовете NEMA.
Стандартизираната система за класификация на ъгъла на лъча NEMA дава на всеки в индустрията последователен начин да разбере как осветителните тела разпространяват светлина.
Шестте вида, посочени от NEMA, се използват за различни неща.
Можете да получите правилното разпределение на светлината за вашия проект, като използвате осветителни тела с правилната NEMA класификация.
Разпространението на лъча в сонарните системи
В сонарните системи разпространението на лъча се отнася до зоната на покритие на звуковите вълни, излъчвани от преобразувател.
Многолъчевият сонар изпраща множество сонарни лъчи едновременно във ветрилообразен модел, който гледа под кораба и от всяка страна.
В сравнение с еднолъчевия сонар, това прави възможно сканирането на по-голяма площ от морското дъно по-бързо и с по-голяма точност.
Различните честоти разкриват различни нива на детайлност в сонарните данни.
Високочестотните импулси показват много детайли, но не могат да стигнат дълбоко във водата.
Нискочестотните импулси, от друга страна, отиват по-дълбоко във водата, но показват по-малко детайли.
Разпространението на лъча в технологиите за подводно наблюдение
Разпространението на лъча засяга и технологиите за подводно наблюдение, като комуникация във видима светлина (UVLC).
UVLC използва честотен диапазон между 450 и 550 nm, тъй като радиочестотните сигнали губят силата си много по-бързо в морска вода.
Това дава възможност на хората да говорят под вода, въпреки че морската вода не винаги е с еднаква температура и корпусът се движи, когато вълните го ударят.
Накратко, разпространението на лъча е важно нещо, за което трябва да се мисли в много инженерни приложения, като осветление, сонарни системи и технологии за отчитане на случващото се под водата.
Важно е да знаете как разпространението на лъча влияе върху тези технологии, за да можете да изберете правилното оборудване и да получите желаните резултати.
Какви методи могат да се използват за контролиране или промяна на разпространението на лъча в различни ситуации?
Оформяне на лъча и управление
Оформянето и управлението на лъча е важна техника, която се използва в много съвременни устройства, като лещи на камери и оптични пинсети.
При този метод лъчът се променя по различни начини, за да се получи желаното разпространение.
Един популярен начин за промяна на формата на лъча е използването на дифракционни оптични елементи (DOE).
DOE може да промени начина, по който лъчът се разпространява по отношение на фаза и амплитуда, за да получи необходимото разпространение на лъча.
Освен това холографските оптични пинсети използват холограми, направени от компютър, за да оформят и насочват светлинни лъчи, за да направят капани в 3D пространството.
Диелектрични метаповърхности
Диелектричните метаповърхности са тънки, създадени от човека слоеве от структури, по-малки от дължина на вълната, които могат да променят начина, по който се държи светлината въз основа на нейния индекс на пречупване, период, ъгъл на падане и форма на напречното сечение.
Те могат да променят силата, фазата и поляризацията на лъча, което им позволява да създават сложни модели на лъча.
Лещи, рефлектори и дифракционни решетки
В някои ситуации могат да се използват лещи, рефлектори или дифракционни решетки, за да се контролира колко далеч се разпространява лъчът.
Лещите могат да променят формата на лъча, за да го направят по-тесен или по-широк, а рефлекторите могат да обърнат лъча в определена посока.
Дифракционните решетки могат да разделят лъча на повече от един лъч или да го огънат в определен модел.
Апертура или ирис
Чрез промяна на размера на отвора може да се използва апертура или ирис за промяна на размера на лъча.
Във фотографията този метод често се използва, за да се контролира колко светлина влиза във фотоапарата и да се получи правилната дълбочина на полето.
Преместване на детайла или лазера
Когато използвате лазер за рязане или заваряване, например, лъчът може да се промени чрез преместване на детайла или лазера.
Този метод се използва за извършване на много прецизни срезове или заварки и за контролиране на разстоянието на разпространение на лъча.
Ускорители на частици
Ускорителите на частици могат да контролират или променят разпространението на лъча по много начини.
Те включват методи за инжектиране и екстракция, охлаждане на лъча, спинов транспорт, поляризация, анализ на първи завой, подход на най-близката настройка, компенсиране на резонанса на сумата и резонанса на излъчване близо до свързване.
Тези методи се използват, за да се гарантира, че лъчът е стабилен, добре фокусиран и на правилното място.
В заключение, има много начини да контролирате или промените начина, по който се разпространява лъчът, и най-добрият начин да го направите зависи от приложението и нуждите.
Важно е да изберете правилната техника, за да получите желаното разпространение на лъча и да се уверите, че приложението работи.
Техники за контролиране и манипулиране на разпространението на лъча
Разпространението на лъча е критичен фактор в много инженерни приложения, включително осветление, сонарни системи и ускорители на частици.
Различните приложения изискват различни начини за контрол или промяна на разпространението на лъча.
Изчисляване на разпространението на лъча
Можете лесно да разберете правилното разпространение на лъча за вашия дизайн на осветление, като умножите ъгъла на лъча по постоянна стойност от 0,018 и след това по разстоянието.
Например, ако искате да разберете зоната на покритие (размера на петното) на 10° лъч, който е монтиран на 25 фута над палубата (разстоянието на изхвърляне), можете да използвате тази формула: 10° x 0,018 x 25 ft = 4,5 фута
В зависимост от това колко са големи, рефлекторните лампи могат да имат или точков лъч, или наводнен лъч.
Наличието на двата вида ви дава повече начини да осветите имота си.
Когато избирате крушка за вашето пространство, помислете каква атмосфера искате да създадете.
Точковите светлини обикновено са крушки с тесен лъч, като 12°.
Прожекторите или прожекторите са крушки с по-широк лъч, като около 60°.
Оформяне и управление на лъча
Оформянето и управлението на лъча е ключова част от много съвременни технологии, като оптични пинсети и лещи на фотоапарати.
Оптични елементи като лещи, огледала и решетки се използват за промяна на формата на лъча и насочването му в определена посока или фокусирането му върху цел.
Този метод се използва и за управление на лъчи с различни показатели на пречупване, периоди, ъгли на падане и форми на напречното сечение в диелектрични метаповърхности.
Намаляване на разпространението на лъча
В ултразвуковата технология можете да направите разпространението на лъча по-малко, като използвате преобразувател с висока честота или като увеличите диаметъра на преобразувателя.
Чрез преместване на оптично уловена микросфера през светлинен лъч е възможно да се контролира как се движи лъчът в оптофлуидно устройство.
Ускорителите на частици имат много начини за контролиране или промяна на разпространението на лъча, като методи за инжектиране и екстракция, охлаждане на лъча, спинов транспорт, поляризация, анализ на първи завой, подход на най-близка настройка, компенсиране на сумарния резонанс и излъчване близо до резонанс на свързване.
Има и следните начини за стесняване на лъча:
Използване на разширител на лъча: Разширителите на лъча могат да се използват за намаляване на дивергенцията на лъча и за гарантиране, че диаметърът на лъча не надхвърля определена граница, когато изходният лъч е далеч.
Чрез увеличаване на лъча вътре в системата, входният диаметър нараства, което прави отклонението по-малко.
- Използване на колиматор: Може да се използва колиматор, за да се намали разпространението на лазерния лъч и да се направи по-колимиран.
- Използване на по-малък отвор: Размерът на дупката, през която минава лазерният лъч, може да повлияе на това колко далеч е един от друг лъчът.
През повечето време по-малката бленда ще направи лъча по-малко разпръснат.
- Използване на обектив с по-голямо фокусно разстояние: Обектив с по-голямо фокусно разстояние може да се използва за фокусиране на лазерния лъч в по-малка точка, което може да намали разпространението на лъча.
Важно е да имате предвид, че тези техники могат да помогнат за намаляване на разпространението на лъча, но те могат да направят много.
Освен това някои техники могат да причинят други оптични аберации, като сферична аберация, което може да понижи качеството на лъча.
Важно е да обмислите внимателно нуждите на системата и да изберете правилния начин за намаляване на разпространението на лъча.
Звуковият лъч се разпространява в далечното поле
Няколко неща влияят на това как звуковият лъч се разпространява в далечното поле.
Те включват размера и формата на ултразвуковия източник, честотата на лъча, как лъчът е фокусиран и размера или апертурата на трансдюсера.
Далечното поле
Далечното поле е зоната, където диаметърът на лъча расте по-далеч от източника, отколкото дължината на една близка зона.
Диаметър на трансдюсера и честота на ултразвука
Колко звуков лъч се разпространява в далечното поле зависи от размера на преобразувателя, наречен апертура, и честотата на звуковите вълни.
Кристалите с по-голям диаметър, произвеждащи звук с по-висока честота, произвеждат лъчи, които се разминават по-малко в далечното поле.
Кристалите с по-малък диаметър и по-ниска честота правят лъчи, които са много разпръснати в далечното поле.
Размер и форма на ултразвуковия източник
Ширината на лъча, дължината на зоната на Френел и ъгълът на отклонение извън близкото поле се влияят от размера на ултразвуковия източник.
За преобразувател, в който не се прилага фокусиране, дължината на зоната на Френел се определя от диаметъра на преобразувателя и дължината на вълната.
Фокусиране на лъча
Начинът, по който лъчът е фокусиран, също променя начина, по който изглежда в далечното поле.
Фокусирането на лъча може да направи лъча да се разпространява по-малко в далечното поле.
Използването на преобразувател, който не фокусира лъча, от друга страна, кара лъча да се разпространява повече.
Накратко, диаметърът или апертурата на трансдюсера, честотата на ултразвука, размерът и формата на ултразвуковия източник и начинът, по който лъчът е фокусиран, влияят върху това колко звуков лъч се разпространява в далечното поле.
Като знаят за тези фактори, инженерите и изследователите могат да направят ултразвукови системи, които работят най-добре за техните нужди.
Изчисления на дължина на вълната, близко поле, разпространение на лъча
Съвет: Включете бутона за надписи, ако имате нужда от него. Изберете „автоматичен превод“ в бутона за настройки, ако не сте запознати с говоримия език. Може да се наложи първо да щракнете върху езика на видеоклипа, преди любимият ви език да стане достъпен за превод.
Заключение
Докато приключваме тази дискусия за разпространението на лъча, струва си да отделите малко време, за да разгледате дълбокото въздействие, което тази концепция има върху инженерния свят.
Разпространението на лъча е много важна концепция, която трябва да разберете, ако искате да проектирате осветителни системи за стадион, да подобрите сонарните изображения за подводници или да създадете лазерна технология за медицински цели.
Инженерите могат да извършват работа, която е по-прецизна и ефективна от всякога, като внимателно контролират и променят начина, по който вълните се държат, докато се движат през различни материали.
Така че следващия път, когато работите по инженерен проект, имайте предвид силата на разпространението на лъча и как може да ви помогне да постигнете целите си.
С малко въображение и креативност наистина няма ограничения за това, което можете да направите.
Сподели на…
